清华大学天文学导论-10活动星系核

1、天文学导论天文学导论第第1 10 0讲讲活动星系核活动星系核 There is a beast at the centers of galaxies!本讲内容本讲内容1. 活动星系核的观测特征2. 活动星系核的主要类型3. 活动星系核的理论模型4. 超大质量黑洞的观测证据1 1。活动星系核的观测特征。活动星系核的观测特征 绝大部分星系是正常（宁静）星系，但也有部分星系的中心核表现出强烈的活动性，称为活动星系核 (Active Galactic Nuclei, 简称 AGN） 活动星系核种类繁多，并相互交叉。观测上主要分为4种类型：Radio galaxies 射电星系Seyfert galax

2、ies 赛弗特星系 Quasars 类星体BL Lac objects 蝎虎BL Lac天体 Optical (HST)X-ray (Chandra)类星体 PKS 1127-145 正常星系相同视场：光学 vs X射线1.1 高光度高光度 X射线光度 光学光度 射电光度银河系 1 1 1射电星系 100-5,000 2 2X103-2106赛弗特星系 300-7104 2 20-2106类星体 2.5106 250 6106 (3C 273)1.2 快速光变 光变时标：几天-1年，甚至小时致密核辐射区的大小不超过1光年 爆发的上升时间（光行差）暗示辐射源尺度的上限1.3 非热连续辐射,高偏振

3、辐射 正常星系： 黑体辐射，极大值在光学波段，辐射主要来自星系内的恒星 活动星系核：射电-光学辐射谱复杂： 热辐射（红外）+ 非热辐射（极大值与AGN类型相关）+ 高能辐射 非热辐射具有高偏振同步加速辐射 (Synchrotron Radiation) 相对论性电子在磁场中作圆轨道或螺旋轨道运动时产生的辐射（和电子逆康普顿散射） 电子速度越大，辐射频率越高 (射电-X射线) 连续辐射, 幂率谱, 显著的偏振性1.4 （射电波段）特殊形态 亮核、喷流、不规则形态1.5 强发射线中心区高能辐射对周围气体的电离（金属线）1.6 寄主星系 Host galaxy：暗淡 2.1 2.1 射电星系射电星系

4、 1960s, 英格兰射电天文学家完成 the 3rd Cambridge Catalog of radio sources 大部分射电源以3C 数字.命名 很多射电源与遥远光学星系位置重合：射电源的光学对应体（optical counterpart） 高射电分辨率观测 （VLA,VLBA） 发现射电源包括位于星系中心的点源和跨越数千至数百万光年的延展源。称它们为射电星系（射电巡天发现）2 2。活动星系核的主要类型。活动星系核的主要类型射电星系的形态特征 射电星系区分为致密型和延展型。它们本质上是一致的，可能是由于观测者视线方向的不同造成的 致密型射电星系的射电像与光学像一致或稍小，也称为核-

5、晕射电星系。射电辐射来自核心 延展射电星系的射电像大于光学像，常为双瓣结构，长达1Mpc。射电辐射主要来自双瓣射电星系的基本特征 射电光度（1042-1045ergs-1）远大于正常星系（1037-1039ergs-1） 射电辐射一般具有非热性质 寄主星系大多数是椭圆星系。它们往往是星系团中光度最高、质量最大的星系 具有复杂的射电结构Cygnus(天鹅座)A: VLA 射电像 典型的双瓣结构；最亮的射电源 射电辐射主要来自星系际空间的两个巨瓣。每个瓣距中心星系约 2.5X105 光年相对论电子喷流相对论电子喷流射电瓣射电瓣 射电瓣射电瓣射电节射电节 knot核核nucleusM87 室女星系团

6、中心的巨椭圆星系 第一个观测到(光学)喷流的星系。喷流的长度约 2kpc，由不连续的团块构成，在射电到X射线波段产生同步辐射光学射电红外射电Centaurus (半人马座半人马座 ) A (NGC5128) 最近最壮观的双瓣射电源 光学像：非典型巨椭圆星系，可能是星系并合而成，环形尘埃带（兰巨星）HST 4000光年内喷流：Red: radioBlue: Chandra X-rayNGC 1265：头尾型射电星系头尾型射电星系2.2 赛弗特星系 赛弗特星系是旋涡星系，具有不寻常的类似恒星的亮核，而且其光学谱有许多突出的发射线 美国天文学家赛弗特 (Karl Seyfert) 于1943年首先发

7、现一批这样的旋涡星系，赛弗特星系因此而得名NGC 4151逐次深度曝光像亮核亮核旋涡旋涡星系星系NGC 1566赛弗特星系与正常星系发射线的比较 正常星系：恒星大气的吸收线（恒星形成区的弱发射线） 一些赛弗特星系有很强而宽的H和重元素的发射线 由发射线的宽度得到电离气体的运动速度达104kms-1(Doppler 展宽)赛弗特星系正常星系 赛弗特星系是强X射线源，弱射电辐射 X射线辐射的快速（分钟）光变致密核 紫外、X射线辐射 + 照射并加热核心周围的气体而产生发射线赛弗特星系的分类 根据发射线宽度的不同，赛弗特星系分为 I 型同时具有很宽的H线和相对较窄的电离金属线 型仅有窄线 相应的 Do

8、ppler 运动速度分别为104 kms-1（宽线区）和 2 x103kms-1（窄线区）I I型型IIII型型 不同类型赛弗特星系的差别可能是由于观测者视线方向的不同而引起的2.3 类星体 1963年，施密特（Maarten Schmidt）用Palomar天文台5m望远镜拍摄了与当时所发现的射电源 3C 273 相关的一个“恒星”的光谱。结果发现它根本不是一个恒星，而是当时所看到的最远的宇宙天体Maarten Schmidt第一个类星体 3C 273 类星体3C 273的谱线红移 z=0.16 退行速度 4.4104 kms-1 哈勃定律 距离24亿光年 光度= 51012 L，为银河系的

9、100倍宇宙学红移20世纪60年代4大发现之一 施密特称 3C273 为 “Quasi-Stellar Radio Source,” 后简写为quasar (类星体)，成为当时一个时髦的词汇 更多的类星体比3C273更亮更遥远Maarten Schmidt in 19633C 2733C 273的喷流 亮斑：3C273 （HST） 及弱光学喷流（蓝色） 延伸约30 kpc且与亮射电喷流（红色）重合 X-ray 喷流（Chandra） Sloan Digital Sky Survey （SDSS） 目前观测到的类星体最大红移达到 6-78 类星体是观测到的最遥远、最年轻、也是辐射功率最大的河外天

10、体宇宙大爆炸后约15亿年时的类星体紫外紫外红光红光- -近红外近红外 类星体通常有喷流，射电喷流通常有双瓣结构类星体的寄主星系 HST 观测到类星体周围的雾状结构，它们是来自寄主星系中的恒星辐射 与类星体相比，它们的寄主星系十分黯淡2.4 蝎虎天体（BL Lac Objects/Blazars） 最亮、变化最激烈的活动星系核 原型：蝎虎座BL （1929年发现, 恒星状，有暗弱包层1968 证认）: BL Lac (2200+420) Blazars(耀变体): BL Lac 天体（弱发射线）与平谱射电类星体(FSRQ: flat spectrum radio quasar，强发射线)的总称证

11、认图证认图 finding chart蝎虎天体的显著特征 在相同红移（距离）处，BL Lac 天体比类星体亮（光度）10-100倍 非热连续谱主导，发射线极弱或完全观测不到BL Lac 在弱态时的光谱 在射线波段辐射主要能量，同时有强烈的射电、红外、光学、紫外和X射线辐射，高偏振 在TeV能段，绝大部分河外源是blazars 寄主星系是椭圆星系 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、短时标光变 致密核 3C 279几天内可变亮4倍X射线射线爆发伽马射线爆发伽马射线爆发Blazars：相对论聚束效应 Blazars的极端特征被解释为其相对论喷流大致沿观测者的视线方向，因而具有显著的相对论聚束相应，使得观测到的 光子能量升高 光度放大 时标变短 相对论修正 内禀特征3。活动星系核的理论模型AGN 的能源问题 小时量级的光变时标太阳系大小的辐射区(pc) 什么样的能源能在比太阳系还要小的区域内辐射千亿倍（甚至更多）太阳光度的光度？ AGN的能源（活动性）来自超大质量（ M 106 -109 M ）黑洞的物质吸积X射线双

13、星的暗示射线双星的暗示 X射线双星的暗示射线双星的暗示 宇宙的终极能源是引力能 E = mc2 恒星能源：HHeCOFe, 能量转换率0.7% 99%的物质不能转换为能量 宇宙的终极能源是引力：黑洞+ 吸积盘旋转气体通过吸积盘进入快转黑洞时被加热到高温 辐射（X射线） 能量转换率30% 黑洞 + 吸积盘的能量转换率是热核反应的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 的理论模型 AGN的活动性源于星系的核心区域的超大质量（106-1010 M）黑洞，黑洞的物质吸积提供了活动星系核的能源 黑洞吸积的物质来自于星系核心附近的气体（或恒星碰撞和星系间碰撞而剥离出的气体 )X-ray 爆发，光学正常TDE爱丁顿 Eddington光度 爱丁顿光度首先由 Sir Arthur Eddington 针对恒星的辐射极限而提出的 一个稳定天体：辐射压 = 引力 爱丁顿计算得出不存在质量大于约100个太阳质量的恒星。目前的观测支持这一结论一些宣称的

15、更大质量恒星可能是两个或多个恒星的集合！为什么是超大质量黑洞？ 爱丁顿光度：稳定吸积天体的最大光度 由 Lobs = Ledd, 吸积黑洞的质量AGN典型光度特征黑洞质量吸积是能源 吸积气体在黑洞周围形成吸积盘（大小约几光天），在螺旋接近黑洞的过程中受到加热，产生巨大的能量吸积伴随双极喷流的产生 黑洞在吸积过程中可能在黑洞的自转轴方向形成双极相对论喷流，喷流在远离核区处与星系际物质相互作用形成双射电瓣 多种辐射机制 吸积盘的热辐射 喷流的非热辐射：相对论电子在磁场中产生同步加速辐射 其它若干辐射机制 不同辐射成分在不同类型活动星系核的不同波段的主导作用不同 Seyfert 星系：热辐射 BL

16、Lac 天体：非热辐射AGN 相对论喷流的狭义相对论效应 相对论速度 主要由相对论电子构成？ 产生机制不清（吸积盘？） 形成于黑洞附近，垂直于吸极盘，成对 磁力起重要作用：聚束喷流，把电子加速到相对论速度 同步加速辐射+逆康普顿散射到更高能辐射 时常观测到一个喷流 位形 狭义相对论效应： 指向我们的喷流， 光度放大，时标变短，有可能超爱丁顿光度 背离我们的喷流， AGN的类型与喷流和视线的夹角有关年轻恒星X射线双星AGNGRB喷流的视超光速运动 Superluminal Motion 活动星系核的喷流（抛射物）似乎以超光速向外运动（天球上横向） 如对类星体3C279的3年时间的VLBI射电观测

17、表明喷流中最外围团块的运动速度接近光速的4倍 M87喷流的视超光速运动视超光速运动的几何解释 这种超光速现象并不表明喷流的运动是超光速的，而是由观测几何效应引起的，故称为视超光速运动 当抛射物的运动方向接近于观测者的视线方向，且运动速度 v =c 接近于光速时，其视横向速度为sin1coscvAGN的外部结构与辐射的外部结构与辐射 宽发射线区（BLR）：大小约几光月，其中电离气体具有较高的运动速度（104 kms-1） 尘埃环（torus）：在宽线区和窄线区之间，大小约10-103光年，红外辐射， 提供养料与遮挡效应，性质仍不清楚 窄发射线区（NLR）：大小约10-104光年，其中电离气体具有较低的运动速度（103 kms-1）黑洞（能源）吸积盘（X-ray/UV辐射)喷流（射电）寄主星系（供给养料）活动星系核的统一模型 观测角、黑洞质量与自转、吸积率5。超大质量黑洞的观测证据 观测方法: 星系核心区附近气体（恒星）的动力学特征 （远距核心 其它间接方法） 观测步骤： 高分辨率观测 核区大小； 核区附近气体/恒星运动 核区质量； 质量/空间尺度比 黑洞？ 观测结论：在活动星系核和大部分正常星系的核心都存在超大质量黑洞? 银河系4 x 106 M ； M31：3 x 107 M