（天体物理专业论文）活动星系核大蓝包的观测和统计研究.pdf

摘要 l l i 本论文首先概述了类星体( q u a s a r ) 、活动星系核( a g n s ) 多波段连续 谱的观测结果，特别是光学一紫外波段的大蓝包辐射，以及软x 过剩辐射 特征重点对大蓝包特征在宽波段u v 到软x 连续谱中的最新研究结果作 了总结、评议，并讨论有可能存在的问题，由此导出我们本论文所要研究 的目的、所采取的手段和方法 队处理a s c a 观测数据和分析x 射线谱出发，将有a s c a 和b e p p o s a x 观测结果的p g 类星体构成一个样本，对它们的中，低能x 射线谱上的观 测特征进行统计结果发现，约有一半的源具有软x 过剩特征( 1 7 3 8 ) ， 其余源在a s c a 和b e p p o s a x 观测谱上只表现为单幂律、或单幂律加内禀 吸收( 电离或中性气体吸收) 对表述软x 过剩特征的折断幂律模型中参 量r ( 三n 。一r 。) 与光度m b 进行分析发现，它们之间有反相关性这 种相关性是固有的。而不是红移效应而引起有助于我们理解为什么低光 度a g n s 样品( 如：w f 9 3 ) 中软x 过剩源较多，而高光度的类星体样品 ( 如：l a o r 9 7 ) 的r o s a tp s p g 观测谱中以单幂律为主 软x 过剩( s x e ) 和电离气体吸收( 、a r ma b s o r b e r ) 在谱形上都使 a g n s 低能软x 射线谱向上弯曲，是否由于以往的x 射线探测器能量分 辨率过低，难以区分二者特征通过我们的研究发现，吸收单幂律的拟合 结果有明显不同，前者拟合得到的中性氢柱密度值导，( 视线方向 上的银河值) ，后者 昌但也有例外，那些源的x 谱上既有s x e 又有弱的w a 特征，需细致分析 组合不同光度、红移以及不同选择技术得到的a g n s 构成一个较大样 本( 数目9 4 ) ，利用它们紫外和软x 观测谱数据，从宽波段谱行为上统计 大蓝包特征。并由此对大蓝包峰值位置的二种观点进行检验在这项统计 中，我们引入从u v1 0 5 0 a 到软x0 5 k e v 的宽波段谱指数陋u y s x ) ，并把 它的分布与软x 谱指数( 口s x ) 分布进行比较无论在全样品、光度分区还 是在子样品中，我们发现二者具有相等的平均值，而且无明显的光度的依 赖性这表明从统计意义上说单幂律特征能表示整个u v 到软x 的宽波 段谱，大蓝包辐射流量峰值对于大多数a g n s 来说，应该在f u v 附近， 而不是e u v 波段k r i s s 等人从个别源( 如：3 c 2 7 3 ) 的多波段观测谱上 证实了大蓝包峰值在u v1 0 5 0 a 附近，而我们从较大样品的统计上给予进 一步支持 另外，从谱指数与光度的相关性统计中，我们发现a u v 和q y 一鲋与 m b 的依赖性主要是由低光度a g n s 中的内吸收所导致从目前多波段观 测数据对吸收所作的推算，在光学和紫外的红化与软x 波段吸收难以表 现出一致性，我们引用了例证进行粗略讨论r a b s t r a c t v f i r s ti nt h et h e s i s ，w eb r i e f l ys t a t et h em u l t i w a v e b a n dc o n t i n u ao b s e r v a t i o n a lr e s u l t so f q u a s a r s ( q s o s ) a n d a c t i v eg a j a c t i cn u c l e i ( a g n s ) ，p a r t i c u a l b t h eb i gb l u eb u m p ( b b b ) e m i s s i o ni no p t i c a ia n du l t r a v i o i e t ，a n de x c e s se m i s s i o ni ns o f tx r a y ( s x e ) c o n c l u s i o na 肌dc o m m e n t sf o c u sm a i n l yo nt h el a t e l y c o n t r o v e r s i a lr e s u l to fb b bc o n t i n u u mi nb r o a dw a v e b a n df r o mu vt os o r x r a y ，a n dd i s c u s s i o n so nt h ep r o b a b l ye ) 【i s t i n gq u e s t i o t h e r e f o r e ，i tl e a dt o o u rr e s e a r c h l n ga i m sa n de m p l 9 y i n gm e t h o d so ft h i st h e s i s b a s e do no u rr e d u c t i o no ft h ea s e ao b s e n 泡t i o n a ld a t aa n d f i t t i n 鼬o ft h e l o wa n dm e d i u m e n e r g yx r a ys p e c t r a ，w ec o m b i n e t h ea s c aa n d b e p p o s a x o b b e r v e dp gq s o st of o r mas a m p i ef o rs t a t i s t i c so ft h es p e c t r a lf e a t u r e s o nt h e ：x r a ys p e c t r a w en n dt h a ta b o u th a l fo ft h eo b j e c t se x h i b i ts x e f e a t u r e ( 1 7 3 8 ) ，t h er e s th a 僧t h e i rs p e c t r at ob eo fap u r e l yp o w e r i a wf 0 瑚， o rap o w e i 。l a wp l u si n t r i n s i c a b s o r p t i o n s ( w a r mo rn e u t r a lg a sa b s o r p t i o n s ) t h ep a r a m e t e r ，r ，d e 矗n e da sr s 一r zi nt h eb r o k e np o w e 卜l a wm o d e lt o r e p r e s e n tt h es x ef e a t u r e ，h a sb e e nf o u n dt ob ei n v e r s e l yc o r r e l a t e dw i t h o p t i c a l l u m i n o s i t y 埘j t h i sc o r r e l a t i o nc a nh e l pu 吕t or e c o g n i z ew h y t h e r ea r e m o r es x e o b j e c t si nl o w1 u m i n o s i t ya g n ss 8 m p l e ( e g ，a l t e r f i n k1 9 9 3 ) ， b u ta no v e r w h e l m i n gm a j o r i t yo fo b j e c t sh a ”t h e i rr o s a tp s p c s p e c t r ao f as i n g l ep o w e r - l a wf o r mi nt h eh i g hl u m i n o s i t yq s o s s a m p l e ( e g l a o re t a 1 1 9 9 7 ) t h ea b a v er e l a t i o ni si n t r i n s i c d on o tr e s u l tf r o mt h er e d s h i re f f 色c t s x ea n d 值h a es i m l l a re f f e c tt om a k et h ec o n t i n u u mu p t u r ni nl o w e n e r g y s o f tx r a yw h e t h e ro rn o tt h e e a r l y 墨r a yd e t e c t o r s ，d u et ol o we n e r g y r e s o l u t i o n ，a r eh a r dt od 塔t i n g u i s ht h et w os p e c t r a lf e a t u r e s b yo u rs t u d i e s ，t h e 矗t t i n gr e s u l t sd i f b ro b v i o u s l y 衄古h et w ok i n d so fs p e c t r 鲥f b a t u r e sb yas i n g l e p o w e 卜l a w t h ef o r m e rh a v et h ep a r 锄e t e r 畅幡只t h el a t e r 日雾业 b u t e x c e p t i o 工l so c c u ri ns o m ec a s e s o m eo b j e c t sh a v en o to n l yt h es x e f e a t u r e i nt h e i rx _ r a ys p e c t r a ，b u tt h ew e a kw aa l s o t h ed e t a i l e df i t t i n ga n a l ) r s e s a r ed e e d e d c o i i 【b i a t i o no ft h ea g n sw i t hv a r i e t i e 8o fl u m i n o s i t y ，r e d s h i f t ，a do b t a i n e db yd 1 日e r e ts e l e c t e dt e c h n i q u e st of o r ma l a r g e rs 啪p l e ，w et 出r es t a t 婶 t i c so nt h eb b b p r o p e r t i e s 行0 皿b r o a dw a v e b a n ds p e c t r a lf e a t u r e ，b yu s i n g v l t h e i ru l t r a v i o l e ta n ds o f tx r a s p e c t r a ld a t a ，i no r d e rt ot e s tt h ed i 丑_ e r e n t a r g u m e n t so nt h eb b bp e a kl o c a t i o i nt h i sp r a c t i c e ，w ei n t r o d u c et h eb r o a d b a n d s p e c t r a li n d e x ( q ，v s x ) f o m1 0 5 0 at o0 5 k e v ，c o m p a r ei t sd i s t r i b u t i o n w i t ht h a to ft h es o f tx r a ys p e c t r a li n d e x ( 占x ) o b t 越e db yr o s a t p s p c ， a n df l n dt h a tt h et w oi n d i c e sh a v ee q u a la v e r a g e v a i u e s ，w h e t h e ri nt h ew h o l e s a m p l e ，i nl u m i n o s i t yd l v i s i o n so ri ns u b s a m p l e s t h i se q u 以i t i e sh a en oo b v i o u sd e p e n d e n c eo nl u m i n o s i t ya l s o i ti n d i c a t e st h a tas i n g l ep o w e rl a wc a n d e s c r i b et h eo v e r a l lu vt ox r a ys p e c t r u mi nas t a t i s t i c a ls e n s e ，t h eb b bf l u x p e a ks h o u l db el o c a t e da r o u n df u v f o rm o s ta g n s k r i s se ta 1 ( 1 9 9 9 ) h a e g i 、r e ns o m ee v i d e n c et os u p p o r tt h el a o re t a 1 sc o n i e c t u r ea b o u tt h eb b b p e a kl o c a t i o no fu v1 0 5 0 ai no n ei n d i v i d u a la g n ( 3 c 2 7 3 ) t h e n ，w eg i v e f u r t h e rs u p p o r tf r o ma1 a r g e ra g n ss a m p l e i na d d i t i o n ，w ef i n dt h a tt h ed e p e n d e n c eo fo u ya n da 口v s xo n a r em a i n l yr e s u l t e df r o mt h ei n t r i n s i ca b s o r p t i o ni nl o wl u m i n o s i t ya g n s b a s e do nc a l c u l a t i o n sw i t ht h em u l t i - w a e b a n dd a t a ，i ti sh a r dt oa p p r o a c ha c o n s i s t e n c eb e t w e e nt h er e d d e n si no p t i c a la n du l t r a v i o k ta n dt h ea b s o r p t i o n l ns o f tx r a mw e o n l yc i t es o m ec a s e st r y i n gt ot e s ta n da r g u e f c 致谢 i i 本论文是在周又元、王挺贵二位教授联合指导下完成的在我攻读博 士学位期间，采用最先进的x 射线卫星进行天体物理学观测研究在国内 才刚刚起步，国内学者大多数都是通过出国访问从事这项研究而周教授 就以远大的战略性眼光指导我及早地跨入这个学科门槛，在国内从事活动 星系核方面研究并获得一些研究成果，这在我生当中都是永不褪色的回 忆周教授严谨的治学态度和高尚的为人品德是我今后学习、科研工作的 楷模在繁忙的工作中抽出时间指导我的论文，这一切用一声“谢谢”是 完全表达不尽的 在我三年多的博士学习和科研中，能得到年轻有为的王挺贵教授的指 导也是我一生的荣幸他还不时地传授多年在国外学习和合作研究经验以 及本学科发展的最新动态给我，这一切都为完成我自己的科研目标和学位 论文提供了无法估量的帮助。 我将永远难忘天体中心的张家铝( 教授) 、褚耀泉( 教授) 、程福臻( 教 授) 、卢炬甫( 教授) 、张杨( 教授) 、向守平( 教授) 、冯珑珑( 教授) 等多位 教师在课堂、学术讲座上的传教，使我系统地学习了天体物理领域中的不 少知识，甚至还接触到一些其他学科领域的最前沿课题，这些对我的学习 和科研工作有着深深的影响 需要特别感谢的是上海交通大学应用物理系徐海光博士，他把自己在 日本学到的x 天文软件应用技术以及天体物理知识无私地传授给我，进 而使我学习和科研工作有了崭新局面。 另外需要感谢的是三、五年多来与我朝夕共处的天体物理中心的同 学、同事和老师，每当我学习和生活中遇到困难时，他们热情的帮助和有 益的讨论使我获益非浅 最后需要感谢的是我妻子罗桂英女士，在我读书、科研和写论文期 间，以纤弱的身体和繁杂的劳作除了维持三口之家的日常生活外，还承担 着双方老人的瞻养义务可以说没有她的支持和帮助，要完成我的学业是 不可能的 第一章活动星系核大蓝包连续谱 自从6 0 年代发现类星体以来，活动星系核就成为天体物理研究领域 中最受重视的热门课题活动星系核、特别是类星体的观测和研究，是当 代观测宇宙学研究中个重要方面，也是星系演化和相互作用研究领域 中不可缺少的研究对象它其中的一些理论研究，如：黑洞附近物质的运 动，必将对现代基础物理某些慨念和方法起到促进和更新作用活动星系 核以其许多不凡的特性既吸引着许多天文观测者的兴趣，也受到众多物理 学家的重视它的观测占据了许多大型天文设备的关键课题近一、二十 年来空间天文望远镜等其他多波段观测设备的使用，使这项课题有了突飞 猛进的进展其中x 卫星上设备性能的不断改进和提高，才有可能使我们 对活动星系核内区和黑洞附近强引力场与物质相互作用得以更加细致地 研究当代天文学是走向全波段范围的研究，活动星系核又是难得能同时 发射从射电到高能7 全波段辐射的天体多波段观测是全面理解活动星系 核之中的结构、物理过程以及了解各亚类天体关系的基础传统上研究活 动星系核主要基于不同波段的观测特征，但当今研究表明，它们正统一在 固有的物理模型之上如，s e y f e r t1 和s e y f e r t2 ，类星体和s e y f e r t1 星 系，b ll a c 和o v v 天体等等。 1 1 跨波段光学、紫外到软x 的大蓝包特征介绍 活动星系核以及类星体的光学、紫外连续谱上最显著的观测特征是大 蓝包，大蓝包在光学、紫外连续谱辐射流量的上升，在远紫外( f u v ) 和极 紫外( e u v ) 继续上升后，在软x 波段急剧下降，构成宽波段的光学、紫外 和软x 的大蓝包它在某些a g n s 天体中所辐射能量占总辐射能量的1 5 直到一半它不仅是我们理解a g n s 全波段辐射的重要基础，而且它在活 动星系核的总能量支出中有着重要的作用根据光致电离理论，光学、紫 外的发射线，明显地受到紫外波段大蓝包细致谱形特征的影响，所以大蓝 包的研究对于进一步分析和理解发射线、吸收线的观测有着重要意义目 第一章活动星系核大蓝包连续谱 l g ( ，h ) 图1 1 ：射电宁静类星体、射电静类星体和b l 船a r s 的多波段谱 2 前普遍公认的大蓝包辐射机制是热辐射，最有可能来源于吸积盘 八十年代以前，对活动星系核连续谱认识的普遍看法是非幂律谱，在 射电、近红外、光学、硬x 射线波段谱几乎都采用幂律形式近似鉴于每 一波段较窄，用直线逼近是可以的，但完整而精确行为依赖于多波段谱的 联合分析 活动星系核宽波段连续谱主要分为二大类型【1 一类以非热致辐射 为主导的连续谱，由b ll a c 天体和o v v ( o p t i c a l l y 、r i o l e r l t l y 、砸i a b l e ) 类星 体构成，统称为b l a z a r 另一类除b ll a c 天体以外的大部分a g n s ，其 中连续谱含有相当的热辐射成分我们的研究主要讨论后者连续谱 在活动星系核第二类连续谱中，s a n d e r 等人( 1 9 8 9 ) 【2 】讨论了1 0 5 个 b q s ( p a l o m e rb r i 曲tq u a s a rs u r v e y ) 类星体在一o 3 6 c m ( 5 g 日z 一1 0 ”h z ) 波长范围内的平均连续谱，发现平均连续谱明显地偏离幂律形式，存在二 个大包，即：红外大包和大蓝包( 如图1 1 所示) 而在1 p m 处存在极小 值1 p m 极小值不仅是红外辐射的结束，也是从光学、紫外大蓝包的开 端 草i(1彳一：i)1)；霎呈 i 】跨波段光学、紫外到软x 的大蓝包特征介绍 3 图1 2 ：正常类星体的平均能量分布实线表示r qq s o s ，虚线表示r lq s o s 图1 1 向我们展示了四种类型a g n s 的多波段连续谱，其中y 轴 表示在单位时间单位面积单位对数频率间隔内的接收的能量图中点线 表示耀变体的多波段连续谱，无显著的大蓝包特征存在而其他三种类型 ( 包括射电和射电宁静) a g n s 表现有显著的二个包其中，极紫外还有一段 空白，这是由于银河星际气体严重吸收而观测不到。相对于中能x 幂律， 软x 流量的上升所形成的软x 过剩，与光学大蓝包流量的上升，一定会 在e u v 、或f u v 某处形成峰值 e l v i s 等人( 1 9 9 4 ) 【3 分析了包括u v 谱在内的4 7 个正常、非b l a z a r 类 星体的全波段( 射电一1 0k v ) 谱，在他们的平均能量分布图( 如图1 2 所 示) 中，紫外流量，无论在射电还是在射电宁静类星体中，可理解是光学 行为的进一步延伸大蓝包是由光学、紫外波段的上升和软x 波段下降所 形成的大蓝包。 廿，_i_爵一oi一j，t一o_ 第一章活动星系棱大蓝包连续谱 4 对上述大蓝包的解释，立即成为类星体以及活动星系核能谱研究的关 键在i u e 上天以前，已有对3 c 2 7 3 紫外超的黑体谱解释【4 ，5 】m a l k e n 等人用吸积盘内区、中区和外区的黑体谱叠加成功地进行了紫外大蓝包的 拟合 6 】在此以后，人们不但都普遍接受标准大质量黑洞一吸积盘模型 来解释a g n s 大蓝包现象，而且应用在射电喷流上，也取得相当成功由 此而成为a g n s 的标准模型【7 1 2 软x 过剩特征 在随后的x 谱以及多波段谱同时观测中，发现软x 波段存在辐射过 剩【8 】，而这种过剩辐射极有可能与紫外大蓝包辐射有着紧密联系 9 对 大蓝包整体研究困难就在于大蓝包波段内多波段的同时性观测，以及紫外 ( e u v 和x u v ) 波段内还存在着极宽的观测空白区( 即：银河系在此波段 极强吸收的原因) 使得对于大蓝包整体形状的获得及其特性的推测受到 极大限制而在理论上，尽管有吸积盘辐射的认识 1o 但用标准吸积盘 谱来拟合整个大蓝包是困难的，需要更细致的理论模型 尽管大蓝包的极紫外部分观测存在着困难，但仍然存在着一些其他的 间接手段如：用高红移类星体去探索e u v 行为即使如此对大蓝包认 识仍有着不确定性最大的不确定性来自软x 射线是否为紫外大蓝包的 高能尾巴，大蓝包的流量峰值位置，等等而这二个问题又是解开大蓝包 问题( 以及类星体总辐射能量) 的关键所在 软x 过剩特征的e i n s e 伽伊g 观测 w i l k e s & e l v i s ( 1 9 8 7 ) 1 1 从3 3 个类星体的e i n s t e i ni p c 谱( o 3 3 5 k e v ) 研究中发现，r l 类星体的谱指数集中于o 5 ，而r q 类星体的谱指数平 均值为1 o ，大于中能幂律平均谱指数而且拟合得到的中性氢柱密度， 对大部分源来说小于银河值，这表明1 p c 谱不是幂律特征，而在低能端往 上翘，即：存在软x 过剩 软x 过剩特征的冗h r _ p 卵g 观测 就软x 过剩和大蓝包相互联系问题，、v a l t e r f i n k ( 1 9 9 3 ) 9 对5 8 个 j 3 不同结论的大蓝包特征研究 5 s e y f e n1 型星系的r o s a tp s p c 巡天观测谱进行了统计，他们采用具有中 性吸收的单幂律( ( e ) 一脯e 一。e 印( 一盯h ) ) 模型去拟合r o s a tp s p c 观 测谱结果发现，除n g c 3 7 8 3 、m r k 8 4 1 二个外，其他5 6 个源o 、2 2 4 k e v 连续谱拟合得相当好光子谱指数r 的分布在2 0 3 0 之间出现的次数近 乎为常数，分布的平均值 = 2 5 0 ，其标准方差仃r = o 4 8 结合吸收 柱密度以及对比中能谱的分析，作者指出他们的样品中9 0 源存在软x 过剩另外还发现软x 谱指效和描述紫外大蓝包参量，( = 一f ：p 足k 。y ) u n 之间有较强的相关性这可能表明软x 过剩辐射可能是整个大蓝包辐射 的高能尾巴，大蓝包可能是紫外到x 波段的大蓝包 随后，、v a l t e re ta l ( 1 9 9 4 ) 1 2 对r 0 s a t 、i u e 和g i n g a 同时观测的8 个s e y f e r t 星系： f a i r a l l9 、 m r k 5 9 0 、n g c 4 0 5 l 、3 c 2 7 3 、n g g 5 5 4 8 、 m k n 8 4 1 、q 1 8 2 1 1 6 4 3 和3 c 3 9 0 3 进行宽波段紫外到软x 的大蓝包分析， 主要采用存在软x 波段截止的紫外幂律( 一e w e z 芦( 一e 丘。t ) ，又 叫：c u t o f r 幂律对极紫外这个不能观测的波段的谱，他们使用二种形式 的描述二种描述的拟合结果均表明这些不同源在软x 波段处的辐射非 常相近，可用近似最大黑体温度一5 1 0 5 k 来表示。同时发现软x 和紫 外流量之比在各个源中相近的，而源之间的x 光度可以相差1 0 4 倍 1 3 不同结论的大蓝包特征研究 对大蓝包特征有不同结论的研究来自l a o r ( 1 9 9 7 ) 1 3 j 等人对低红移、 低银河吸收p g 选类星体r o s a tp s p c 定点观测谱的统计，以及z h e n g 等人( 1 9 9 7 ) 【1 4 对中、高红移类星体紫外h s t 观测合成谱的分析 l a o r 等人( 1 9 9 7 ) 【1 3 1 从b q s 样品中选择了一些类星体，它们的红移小 于0 4 ，银河系中性氢柱密度小于1 9 1 0 2 0 c m 此二条限制一者避免类 星体源坐标系0 2 k e v 辐射会移出r o s a tp s p c 观测灵敏度区，二者最大 限度地减小银河吸收的效应实际上由于光电吸收，0 1 5 k e v 以下不会有 光子被p s p c 探测到这样的标准限制了b q s 样品只能有2 3 类星体满足 要求，这2 3 个类星体基本上代表着光学选、低红移类星体样品 第一章活动星系核大蓝包连续谱 4 5 5 4 4 6 图1 3 ：z h e i l g 等人的合成谱、l a o r 等人的平均谱，大蓝包研究的最新认识 对r o s a tp s p c 观测谱所作的吸收单幂律模型拟合发现，在0 2 2 5 七e v 能段，在3 0 误差范围内，大多数p g 类星体的连续谱很好地遵 从幂律分布，同时也注意到z h e n g 等人( 1 9 9 7 ) 1 4 】利用h s tf o s 观测数据 所构造的中、高红移类星体紫外到远紫外合成谱在1 0 5 0 a 附近有显著的转 折。紫外2 0 0 0 1 0 5 0 a 的斜率一一1 0 ( 一俨) r qq s o s 远紫外合成谱 ( 1 0 5 0 一3 5 0 a ) 的斜率为一1 7 7 士0 0 3 ，而r lq s o s 的斜率是一2 1 6 士o 0 3 ， 远紫外总合成谱的平均斜率为1 9 6 士o 0 2 把上述紫外合成谱和r o s a t p s p c 观测的p gq s 0 s 软x 平均谱联合画在一张图上( 如图1 3 所示) ，就 意味着类星体的( 电离) 连续谱流量峰值不在e u v 波段，单幂律特征可能 从紫外1 0 0 0 a 附近一直延伸到软x1 k e v 左右这样的统计结果对光致电 离模型以及吸积盘模型有着重要的涵义，即：原来它们可能过高的估计、 预测了e u v 连续谱流量 上述结论与早期x 观测结果明显不同，有必要分析其中的原因并进 一步研究 5 5 4 乱4 j 大蓝包特征研究结果的讨论 1 4 大蓝包特征研究结果的讨论 7 其一，e i l l s t e i n 和a s c a 对类星体观测表明，它们的软x 谱普遍比 r o s a t 观测要平坦些人们怀疑r o s a tp s p c 可能存在定标问题，f 乙v 平均谱和软x 谱相匹配可能是一种偶然。对此天体物理学者还没有一致 意见通过比较从x 谱拟合得到的氢柱密度和银河2 1 c m 测量的中性氢柱 密度一致性，l a o r 等人 15 认为o 5 k e v 以下的仪器定标不应该有很严重 问题另外他们还比较了p s p c 观测的全波段和硬波段( o 5 e y ) 拟合得 到的谱指数，二者在平均上无显著的差别也表明上述标定不会有很大的问 题 在此我们注意到有其他学者对此问题的不同看法1 w a s a w a 等人 ( 1 9 9 9 ) 1 6 】分析了非常亮的s e y f e r t 星系n g c 5 5 4 8 的a s c a 和r o s a t 观 测谱指出，r o s 盯p s p c 和a s c as i s 观测谱指数之间存在不一致性也 许与定标有关但m i n e o 等人( 2 0 0 0 ) 1 7 对比b e p p o s a x 的低能软x 波 段谱指数与r o s a tp s p c 观测的谱指数发现，二者之间平均值相差为 一o 2 7 士0 0 3 也就是说b e p p o s a x 观测的软x 谱普遍比r o s a t 观测相 应的天体软x 谱要平这其中的主要原因可能是仪器之间的相互定标误 差引起 其二，内禀尘埃红化问题z h e n g 等人 1 4 】的每个类星体的h s t f o s 谱，尽管作了银河消光改正，也进行了l y m a nf o r e s t 吸收的统计改正，但是 类星体内禀的红化没有进行改正我们知道银河消光曲线在小于2 0 0 0 a 是 陡峭地上升，在光学波段有相对较小消光，但在f u v 会有显著的红化如 果类星体中含有的尘埃与银河系有相同的消光曲线的话，人们会担心短于 1 0 0 0 a 陡的观测谱可能是由尘埃导致对于各种大量颗粒成分的尘埃不透 明度峰值在一7 0 0 8 0 0 a ，向较短的波长方向陡峭地下降，在一3 0 0 a 左 右的不透明度是峰值的1 3 ( s e ef i g 6i nl a o r d r a i n e1 9 9 31 1 8 】) 因此， 如果短于1 0 0 0 a 陡的谱是由于尘埃消光，那么，去消光后短于7 0 0 a 的谱将 变平但是，观测到的合成谱没有表现出这种的恢复、即变平，那么谱的 变陡不可能是内禀红化引起，是否是银河尘埃、以及其他成分的尘埃引起 第一章活动星系核大蓝包连续谱 8 也值得研究 其三，z h e n g 等人的样品是红移z 0 3 3 ，平均红移 一1 o ， 他们f u v 段的合成谱主要基于z l 的类星体h s tf o s 观测谱但l a o r 等人样品红移限制在o 04 。因此这二个样品红移范围不一样如果远 紫外到软x 波段的谱形有红移依赖性的话，那么我们比较的不是相同的 “天体”，这表面上一致性可能是偶然所以有必要来探索远紫外到软x 波段的谱基于相同红移的样本，更加严格要求的话，还需要多波段同时性 的测量，以消除光变的影响。再者可以直接使用f u s e 空间望远镜来进行 a g n s 样品的观测来论证哪些样品有这种一致性 其四，从其他类型的a g n s 的e u v 谱分析来看这“一致性”s e y f e r t 星系表现为比类星体要小的光学到x - r a y 跨波段谱指数( o 。) ，即：跨波段 谱较平正如z h e n g 等人 1 9 1 对m r k3 3 5 分析所指出的那样，单幂律谱也 有可能从f u v 延伸到1k e v 附近b a l 类星体尽管有陡的f u v 谱，但 一般也有陡的n 。，最有可能是由于强的x r a v 吸收引起再一次表现出 f u v 能简单外插到软x 流量水平。如果b a lq s o s 的f u v 谱确实通常表 现为很陡的话，那么已经在正常类星体中表现出的能量预算问题( e n e r g y b u d g e tp r o b l e m ) ，在此类天体更加严重了因此软x 辐射弱最大可能是吸 收，而陡的f u v 谱也可能是由于波长依赖的吸收 其五：上述大蓝包特征不同的结果总要是从中高红移类星体的样品中 得到，是否对低光度a g n s 也实用，也是一个值得去检验的问题 为此本论文准备使用高精度的、较高能量分辨率的a s c a 和b e p p o s a x 空间x 射线望远镜和探测器来进一步观测p g 类星体的软x 过剩特征。 另外，我们还准备从较大、光度范围较广的低红移a g n s 样本中，使用它 们u v 和软x 观测数据来统计大蓝包特征 第二章a s c a 观测仪器的简单介绍 本论文第三章对活动星系核中、低能x 射线谱上特征进行统计时所 使用的数据主要基于a s c a 卫星观测，所以了解a s c a 卫星的工作情况是 我们研究的开始和基础同时了解和掌握a s c a 卫星的工作原理、数据处 理以及能谱分析方法具有普遍意义。能触类旁通地领悟其他x 射线天文 卫星的性能和数据处理方法在此本章对a s c a 卫星望远镜的科学目标、 光学系统、探测器性能以及数据处理和能谱分析方法作一简单介绍 2 1 科学目标 日本高级宇宙学和天文学x 射线卫星( a s c a ) 于1 9 9 3 年2 月2 0 日发 射升空这颗卫星的运行轨道倾斜角一3 l 。，近地点和远地点分别是5 2 0 k m 和6 2 5 k m ，轨道运行周期大约1 0 0 分钟，相当于每天1 5 转这颗卫星是 继h a k u c h o ( 1 9 7 9 发射) 、t e n m a ( 1 9 8 3 发射) 和g i n g a ( 1 9 8 7 发射) 之后的第 4 颗天文卫星非常幸运的是g i g a 发射后的几天，s n l 9 8 7 a 超新星爆发 并立即得到观测而a s c a 发射后的第一个月( m a r2 8 t h ) ，我们邻近星系 m 8 1 中s n l 9 9 3 j 超新星爆发这对于x 卫星来说是多么有意义的事这 颗卫星由设在k a g o s h i m a 空间中心的地面站操着，每天有5 个轨道时间接 触在这段时间里，科学数据、卫星姿态信息、仪器管理参数等等被送到 地面有二位科学家监视着卫星上的仪器状态且发送命令，并实时地、流 览式地快速数据分析到目前为止，a s c a 卫星已成功地进行了许多天文 观测并将不断为整个天文和天体物理界作贡献 a s c a 卫星x 望远镜集成像和成谱能力于一身，具有较宽的能量范围 ( o 5 1 0 k e v ) 、较好的能量分辨率( r r 一1 0 一5 0 ) 以及较大的有效接收 面积首次使用固体c c d 探测器进行成谱、成像观测，比以往任何x 望 远镜的主要设备的谱分辨率都高a s c a 观测主要科学目标是： ( 1 ) 天体在0 4 1 0 托v 宽波段范围内x 辐射谱，特别是寻找多种连续谱 辐射成分； 9 第二章a s c a 观测仪器的简单介绍 1 0 图2 1 ：a s c ac a r r i e sf o u ri d e n t i c a lg r a z i n 争i n c i d e n c ex r a yt e l e s c 叩e s ( x r t ) a s i n g kx r t c a r r i e sm u l t i n 船t e d ( 1 1 9l a y e r s ) c o n i c a lt h i n f o i l s ( 2 ) 详细地分析x 辐射谱上的特征线，包括发射线、吸收边； ( 3 ) 鉴于x 射线高穿透的特点，观测并寻找强吸收天体，包括研究活动星 系核 ( 4 ) 通过高红移类星体观测以探索宇宙中x 射线发射天体的演化 2 2a s c a 望远镜光学系统和探测仪器简单介绍 a s c a 携带四组相同的x 望远镜，聚焦到4 个二类不同性质的x 射线 探测器上，它们分别是固体成象成谱的x 射线c c d ( 简称s i s o 和s i s l ) ， 气体闪烁正比计数器简称g i s 2 和g i s 3 ) 每个x 望远镜是由1 1 9 层薄膜 组成的抛物一双曲面镜构成( 如图2 1 所示) ( 又叫：w b l t e rt y p eig r a z i n g 2 2a s 望远镜光学系统和探测仪器简单夼绍 i n c i d e n c ex r a ym i r r o r ) ，并柱对称排列在一起以增加有效接收面积因为 i r a y 在镜上以掠射方式传播前进，单层镜面有效接收面积较小，所以由 多层共同聚焦以增大有效面积箔镜表面在真空状态下镀上金膜( 厚度约 j 0 0 ) 以增大x 光反射率望远镜在7 k e v 和1 5 k e v 处的有效截面分别约 6 0 0 c m 2 、1 2 0 0 c m 2 。 a s c a 望远镜焦距长是3 5 m ，在焦平面上放置2 个g i s 探测器( 如 图2 1 所示) 聚焦的x 光通过铍窗口进入探测器后电离x e n o n 气体，光 电子被强平行板电场加速后，不断激发x e n o n 原子而产生闪烁u v 光，最 后被位置灵敏的光电管接收，从而推测出原始的x 光子能量和位置从 o 7 k e v 到2 0 k e v 整个g i s 增益响应基本上是线性的对于偏轴光线，由于 存在渐晕现象( v i g n e t t i n g ) ，有效面积有所下降图2 ，2 表示a s c a 望远镜 有效接收面积随偏轴角和不同能量光子的分布x 望远镜( x r t ) 有效面 积和g i s 探测器响应综合考虑后，g i s 系统对科学数据处理和分析的有 效能力为： 1 ) 0 7 1 0 e v 波段的有效面积是一1 5 0 c m 2 g ，s ； 2 ) 点扩展函数是一1 5 0 r c m 挑( f 日m ) ； 3 ) 在6 k e v 处的能量分辨率是6 ，约3 6 0 e v ； 4 ) 视场直径一5 0 0 r c 仇饥 s i s 0 和s i s l 探测器是放置在另外2 个望远镜焦平面上x 射线固体成 像c c d 探测器当光子进入s i s 探测器时，由于光电吸收产生电子空穴 对，而g i s 正比计数器产生是电子离子对电荷进入耗散层后，在n 型和 p 型半导体之间产生电压( 相当于脉冲) ，形成二极管电压脉冲信号通过 灵敏放大器被读出，有时称这样测量过程为光予计数模式这样一个过程 与g i s 中的测量过程不同，c c d 中无电子级联放大效应，脉冲较小，比 g i s 有更好的分辨率每个s i s 探测器由4 块约1 l x1 1 m m 2c c d 片子构 成，具有4 0 9 6 4 0 9 6 p i x e l s 的空间分辨率，耗散层约3 0 c m 厚以保证比传统 的c c d 对于硬x 的探测有更高的效率 为了应付不同强度和张角的x 辐射源，s i s 探测器使用3 种不同的位 型来进行观测：1 - c c d 、2 一c c d 和4 c c d ，即数据从1 块、2 块和4 块 第二章a s c a 观测仪器的简单介绍 e f f e c t i v ea r e a 硝o n e 订+ g 【s ( w i t h 血1 2 m md i a m e t e r ) 1 2 e n e r g y ( k e v ) 图2 2 ：e f b 托t i v ea r e ao fo n ex r t + g i sf o rd i f f e r e n to 毋a x j s ( t h e t a ) a n da z i 舢t h a l ( p h i ) a n g l e s o o 一 一，i。-gjv 皇苫s闰 5 2 2a s 望远镜光学系统和探测仪器简单介绍 圃 王q p i nd 堂土量坌土q i 皿鱼g 壁s f o c a ll e n g t h = 3 5 0 0m m犀墨 ( 1 6 9 7 肛m a r c s e c ) y o “一 等i = z 吕们岂 星：薹星 z 寸 尊警 o ! 星星：墨垦! 宣蛩3 i 旦 y q s i slc h i pl ： ( h o tp i x e l s ) s i soc h i p3 ( 1 i g h tl e a k ) 菜毡 i l 每j ，气