清華大學天文學導論-10活動星系核

1、天文學導論天文學導論第第1 10 0講講活動星系核活動星系核 There is a beast at the centers of galaxies!本講內(nèi)容本講內(nèi)容1. 活動星系核的觀測特征2. 活動星系核的主要類型3. 活動星系核的理論模型4. 超大質(zhì)量黑洞的觀測證據(jù)1 1。活動星系核的觀測特征。活動星系核的觀測特征 絕大部分星系是正常（寧靜）星系，但也有部分星系的中心核表現(xiàn)出強烈的活動性，稱為活動星系核 (Active Galactic Nuclei, 簡稱 AGN） 活動星系核種類繁多，并相互交叉。觀測上主要分為4種類型：Radio galaxies 射電星系Seyfert galax

2、ies 賽弗特星系 Quasars 類星體BL Lac objects 蝎虎BL Lac天體 Optical (HST)X-ray (Chandra)類星體 PKS 1127-145 正常星系相同視場：光學 vs X射線1.1 高光度高光度 X射線光度 光學光度 射電光度銀河系 1 1 1射電星系 100-5,000 2 2X103-2106賽弗特星系 300-7104 2 20-2106類星體 2.5106 250 6106 (3C 273)1.2 快速光變 光變時標：幾天-1年，甚至小時致密核輻射區(qū)的大小不超過1光年 爆發(fā)的上升時間（光行差）暗示輻射源尺度的上限1.3 非熱連續(xù)輻射,高偏振

3、輻射 正常星系： 黑體輻射，極大值在光學波段，輻射主要來自星系內(nèi)的恒星 活動星系核：射電-光學輻射譜復(fù)雜： 熱輻射（紅外）+ 非熱輻射（極大值與AGN類型相關(guān)）+ 高能輻射 非熱輻射具有高偏振同步加速輻射 (Synchrotron Radiation) 相對論性電子在磁場中作圓軌道或螺旋軌道運動時產(chǎn)生的輻射（和電子逆康普頓散射） 電子速度越大，輻射頻率越高 (射電-X射線) 連續(xù)輻射, 冪率譜, 顯著的偏振性1.4 （射電波段）特殊形態(tài) 亮核、噴流、不規(guī)則形態(tài)1.5 強發(fā)射線中心區(qū)高能輻射對周圍氣體的電離（金屬線）1.6 寄主星系 Host galaxy：暗淡 2.1 2.1 射電星系射電星系

4、 1960s, 英格蘭射電天文學家完成 the 3rd Cambridge Catalog of radio sources 大部分射電源以3C 數(shù)字.命名 很多射電源與遙遠光學星系位置重合：射電源的光學對應(yīng)體（optical counterpart） 高射電分辨率觀測 （VLA,VLBA） 發(fā)現(xiàn)射電源包括位于星系中心的點源和跨越數(shù)千至數(shù)百萬光年的延展源。稱它們?yōu)樯潆娦窍担ㄉ潆娧蔡彀l(fā)現(xiàn)）2 2?；顒有窍岛说闹饕愋汀；顒有窍岛说闹饕愋蜕潆娦窍档男螒B(tài)特征 射電星系區(qū)分為致密型和延展型。它們本質(zhì)上是一致的，可能是由于觀測者視線方向的不同造成的 致密型射電星系的射電像與光學像一致或稍小，也稱為核-

5、暈射電星系。射電輻射來自核心 延展射電星系的射電像大于光學像，常為雙瓣結(jié)構(gòu)，長達1Mpc。射電輻射主要來自雙瓣射電星系的基本特征 射電光度（1042-1045ergs-1）遠大于正常星系（1037-1039ergs-1） 射電輻射一般具有非熱性質(zhì) 寄主星系大多數(shù)是橢圓星系。它們往往是星系團中光度最高、質(zhì)量最大的星系 具有復(fù)雜的射電結(jié)構(gòu)Cygnus(天鵝座)A: VLA 射電像 典型的雙瓣結(jié)構(gòu)；最亮的射電源 射電輻射主要來自星系際空間的兩個巨瓣。每個瓣距中心星系約 2.5X105 光年相對論電子噴流相對論電子噴流射電瓣射電瓣 射電瓣射電瓣射電節(jié)射電節(jié) knot核核nucleusM87 室女星系團

6、中心的巨橢圓星系 第一個觀測到(光學)噴流的星系。噴流的長度約 2kpc，由不連續(xù)的團塊構(gòu)成，在射電到X射線波段產(chǎn)生同步輻射光學射電紅外射電Centaurus (半人馬座半人馬座 ) A (NGC5128) 最近最壯觀的雙瓣射電源 光學像：非典型巨橢圓星系，可能是星系并合而成，環(huán)形塵埃帶（蘭巨星）HST 4000光年內(nèi)噴流：Red: radioBlue: Chandra X-rayNGC 1265：頭尾型射電星系頭尾型射電星系2.2 賽弗特星系 賽弗特星系是旋渦星系，具有不尋常的類似恒星的亮核，而且其光學譜有許多突出的發(fā)射線 美國天文學家賽弗特 (Karl Seyfert) 于1943年首先發(fā)

7、現(xiàn)一批這樣的旋渦星系，賽弗特星系因此而得名NGC 4151逐次深度曝光像亮核亮核旋渦旋渦星系星系NGC 1566賽弗特星系與正常星系發(fā)射線的比較 正常星系：恒星大氣的吸收線（恒星形成區(qū)的弱發(fā)射線） 一些賽弗特星系有很強而寬的H和重元素的發(fā)射線 由發(fā)射線的寬度得到電離氣體的運動速度達104kms-1(Doppler 展寬)賽弗特星系正常星系 賽弗特星系是強X射線源，弱射電輻射 X射線輻射的快速（分鐘）光變致密核 紫外、X射線輻射 + 照射并加熱核心周圍的氣體而產(chǎn)生發(fā)射線賽弗特星系的分類 根據(jù)發(fā)射線寬度的不同，賽弗特星系分為 I 型同時具有很寬的H線和相對較窄的電離金屬線 型僅有窄線 相應(yīng)的 Do

8、ppler 運動速度分別為104 kms-1（寬線區(qū)）和 2 x103kms-1（窄線區(qū)）I I型型IIII型型 不同類型賽弗特星系的差別可能是由于觀測者視線方向的不同而引起的2.3 類星體 1963年，施密特（Maarten Schmidt）用Palomar天文臺5m望遠鏡拍攝了與當時所發(fā)現(xiàn)的射電源 3C 273 相關(guān)的一個“恒星”的光譜。結(jié)果發(fā)現(xiàn)它根本不是一個恒星，而是當時所看到的最遠的宇宙天體Maarten Schmidt第一個類星體 3C 273 類星體3C 273的譜線紅移 z=0.16 退行速度 4.4104 kms-1 哈勃定律 距離24億光年 光度= 51012 L，為銀河系的

9、100倍宇宙學紅移20世紀60年代4大發(fā)現(xiàn)之一 施密特稱 3C273 為 “Quasi-Stellar Radio Source,” 后簡寫為quasar (類星體)，成為當時一個時髦的詞匯 更多的類星體比3C273更亮更遙遠Maarten Schmidt in 19633C 2733C 273的噴流 亮斑：3C273 （HST） 及弱光學噴流（藍色） 延伸約30 kpc且與亮射電噴流（紅色）重合 X-ray 噴流（Chandra） Sloan Digital Sky Survey （SDSS） 目前觀測到的類星體最大紅移達到 6-78 類星體是觀測到的最遙遠、最年輕、也是輻射功率最大的河外天

10、體宇宙大爆炸后約15億年時的類星體紫外紫外紅光紅光- -近紅外近紅外 類星體通常有噴流，射電噴流通常有雙瓣結(jié)構(gòu)類星體的寄主星系 HST 觀測到類星體周圍的霧狀結(jié)構(gòu)，它們是來自寄主星系中的恒星輻射 與類星體相比，它們的寄主星系十分黯淡2.4 蝎虎天體（BL Lac Objects/Blazars） 最亮、變化最激烈的活動星系核 原型：蝎虎座BL （1929年發(fā)現(xiàn), 恒星狀，有暗弱包層1968 證認）: BL Lac (2200+420) Blazars(耀變體): BL Lac 天體（弱發(fā)射線）與平譜射電類星體(FSRQ: flat spectrum radio quasar，強發(fā)射線)的總稱證

11、認圖證認圖 finding chart蝎虎天體的顯著特征 在相同紅移（距離）處，BL Lac 天體比類星體亮（光度）10-100倍 非熱連續(xù)譜主導，發(fā)射線極弱或完全觀測不到BL Lac 在弱態(tài)時的光譜 在射線波段輻射主要能量，同時有強烈的射電、紅外、光學、紫外和X射線輻射，高偏振 在TeV能段，絕大部分河外源是blazars 寄主星系是橢圓星系 The Gamma Ray （MeV-GeV）Sky as observed by EGRET on the Compton Gamma Ray observatory The bright sources above and below the Mi

12、lky Way are blazars3C 279 大幅度、短時標光變 致密核 3C 279幾天內(nèi)可變亮4倍X射線射線爆發(fā)伽馬射線爆發(fā)伽馬射線爆發(fā)Blazars：相對論聚束效應(yīng) Blazars的極端特征被解釋為其相對論噴流大致沿觀測者的視線方向，因而具有顯著的相對論聚束相應(yīng)，使得觀測到的 光子能量升高 光度放大 時標變短 相對論修正 內(nèi)稟特征3?；顒有窍岛说睦碚撃Ｐ虯GN 的能源問題 小時量級的光變時標太陽系大小的輻射區(qū)(pc) 什么樣的能源能在比太陽系還要小的區(qū)域內(nèi)輻射千億倍（甚至更多）太陽光度的光度？ AGN的能源（活動性）來自超大質(zhì)量（ M 106 -109 M ）黑洞的物質(zhì)吸積X射線雙

13、星的暗示射線雙星的暗示 X射線雙星的暗示射線雙星的暗示 宇宙的終極能源是引力能 E = mc2 恒星能源：HHeCOFe, 能量轉(zhuǎn)換率0.7% 99%的物質(zhì)不能轉(zhuǎn)換為能量 宇宙的終極能源是引力：黑洞+ 吸積盤旋轉(zhuǎn)氣體通過吸積盤進入快轉(zhuǎn)黑洞時被加熱到高溫 輻射（X射線） 能量轉(zhuǎn)換率30% 黑洞 + 吸積盤的能量轉(zhuǎn)換率是熱核反應(yīng)的30倍之多 one solar mass per year of gas flowing through such a disk would be sufficient to produce about 3 x 1012 solar luminosities - roug

14、hly 15 times the luminosity of the entire Milky Way galaxy! AGN 的理論模型 AGN的活動性源于星系的核心區(qū)域的超大質(zhì)量（106-1010 M）黑洞，黑洞的物質(zhì)吸積提供了活動星系核的能源 黑洞吸積的物質(zhì)來自于星系核心附近的氣體（或恒星碰撞和星系間碰撞而剝離出的氣體 )X-ray 爆發(fā)，光學正常TDE愛丁頓 Eddington光度 愛丁頓光度首先由 Sir Arthur Eddington 針對恒星的輻射極限而提出的 一個穩(wěn)定天體：輻射壓 = 引力 愛丁頓計算得出不存在質(zhì)量大于約100個太陽質(zhì)量的恒星。目前的觀測支持這一結(jié)論一些宣稱的

15、更大質(zhì)量恒星可能是兩個或多個恒星的集合！為什么是超大質(zhì)量黑洞？ 愛丁頓光度：穩(wěn)定吸積天體的最大光度 由 Lobs = Ledd, 吸積黑洞的質(zhì)量AGN典型光度特征黑洞質(zhì)量吸積是能源 吸積氣體在黑洞周圍形成吸積盤（大小約幾光天），在螺旋接近黑洞的過程中受到加熱，產(chǎn)生巨大的能量吸積伴隨雙極噴流的產(chǎn)生 黑洞在吸積過程中可能在黑洞的自轉(zhuǎn)軸方向形成雙極相對論噴流，噴流在遠離核區(qū)處與星系際物質(zhì)相互作用形成雙射電瓣 多種輻射機制 吸積盤的熱輻射 噴流的非熱輻射：相對論電子在磁場中產(chǎn)生同步加速輻射 其它若干輻射機制 不同輻射成分在不同類型活動星系核的不同波段的主導作用不同 Seyfert 星系：熱輻射 BL

16、Lac 天體：非熱輻射AGN 相對論噴流的狹義相對論效應(yīng) 相對論速度 主要由相對論電子構(gòu)成？ 產(chǎn)生機制不清（吸積盤？） 形成于黑洞附近，垂直于吸極盤，成對 磁力起重要作用：聚束噴流，把電子加速到相對論速度 同步加速輻射+逆康普頓散射到更高能輻射 時常觀測到一個噴流 位形 狹義相對論效應(yīng)： 指向我們的噴流， 光度放大，時標變短，有可能超愛丁頓光度 背離我們的噴流， AGN的類型與噴流和視線的夾角有關(guān)年輕恒星X射線雙星AGNGRB噴流的視超光速運動 Superluminal Motion 活動星系核的噴流（拋射物）似乎以超光速向外運動（天球上橫向） 如對類星體3C279的3年時間的VLBI射電觀測

17、表明噴流中最外圍團塊的運動速度接近光速的4倍 M87噴流的視超光速運動視超光速運動的幾何解釋 這種超光速現(xiàn)象并不表明噴流的運動是超光速的，而是由觀測幾何效應(yīng)引起的，故稱為視超光速運動 當拋射物的運動方向接近于觀測者的視線方向，且運動速度 v =c 接近于光速時，其視橫向速度為sin1coscvAGN的外部結(jié)構(gòu)與輻射的外部結(jié)構(gòu)與輻射 寬發(fā)射線區(qū)（BLR）：大小約幾光月，其中電離氣體具有較高的運動速度（104 kms-1） 塵埃環(huán)（torus）：在寬線區(qū)和窄線區(qū)之間，大小約10-103光年，紅外輻射， 提供養(yǎng)料與遮擋效應(yīng)，性質(zhì)仍不清楚 窄發(fā)射線區(qū)（NLR）：大小約10-104光年，其中電離氣體具有較低的運動速度（103 kms-1）黑洞（能源）吸積盤（X-ray/UV輻射)噴流（射電）寄主星系（供給養(yǎng)料）活動星系核的統(tǒng)一模型 觀測角、黑洞質(zhì)量與自轉(zhuǎn)、吸積率5。超大質(zhì)量黑洞的觀測證據(jù) 觀測方法: 星系核心區(qū)附近氣體（恒星）的動力學特征 （遠距核心 其它間接方法） 觀測步驟： 高分辨率觀測 核區(qū)大??； 核區(qū)附近氣體/恒星運動 核區(qū)質(zhì)量； 質(zhì)量/空間尺度比 黑洞？ 觀測結(jié)論：在活動星系核和大部分正常星系的核心都存在超大質(zhì)量黑洞? 銀河系4 x 106 M ； M31：3 x 107 M