射电喷流与中央能源

射电喷流与中央能源蒋栋荣上海天文台一.喷流的观测研究河外射电源的喷流是射电天文的主要研究目标之一喷流的成分，物理参数，速度和定向，辐射机制；喷流与中央能源：黑洞和吸积盘的关系产生机制和准直机制，寿命，对称性；喷流的传递以及与周围介质的相互作用及其对星系演化的影响等。射电强与射电宁静AGN活动星系核有着很多的分类,大多是根据观测特征进行分类的,其物理的起源也是不完全理解的.其中最重要的一种分类是射电强和射电宁静.这种分类1)是基于射电噪度R(radio-loudness)(在源坐标系中5GHz的射电流量密度与4400A光学流量密度的比).R>10射电强活动星系核~10%R<10射电宁静活动星系核这种分类的物理意义是不完全清楚的由于通常在射电强活动星系核中,高分辨率射电观测中观测到射电喷流,其总的射电辐射的强度比射电宁静活动星系核高约3个量级.但是这二类源的红外,光学/紫外连续谱没有明显差异.

在某种意义上作为是否存在射电喷流或喷流辐射相对于光学辐射强弱的分类.随着射电干涉仪灵敏度的提高已经在很多射电弱的AGN中检测到致密射电核及射电喷流.射电强射电宁静耀变体BLLacs,OVVs喷流观测射电喷流主要观测设备:射电干涉仪VLA5GHzVLA-A~0.1角秒MERLIN～50masVLBI:VLBA,EVN,VLBA+EVN天文观测中最高的角分辨率D干涉仪中最长的基线长度毫角秒---几十微角秒1.2大尺度结构核(Core)主导AGN平谱---致密(VLA尺度上)瓣(Lobe)主导AGN陡谱---光学薄的同步加速辐射延展FRI与FRII复杂形态

FRI与FRII射电星系在P(178MHz)=5x1025w/Hz处分为两类(FanaroffandRiley1974)

FRIP(178MHz)<5x1025w/Hz约80%的源检测到喷流，核附近单边喷流，在离核几kpc以后变为双边喷流并连接到大尺度lobes结构.射电lobes发射的峰之间的间隔与总的源大小之比小于0.5(edge-darkened)初始磁场平行于喷流，逐渐变为垂直于喷流。3C449VLA1465MHzmap3C449

VLA1.4GHzFRIIP(178MHz)>5x1025w/Hz峰值亮度间隔与源大小之比接近1(edge-brightened)有亮的外部热斑喷流和核的绝对光度通常大于FRI，但是由于瓣和热斑的光度增加使核和喷流远没有在FRI中突出。仅约10%的源检测到喷流。磁场平行于喷流，喷流中的亮knots的磁场垂直于喷流。CygAVLA4885MHzmapCygAlobecorehotspotsjetVLAimageVLBIimage22GHzNGC6251射射电图图象黑洞并并合NGC326X形状状的星星系占占总的的星系系的7%射电图图（AT））+HST二二个互互作用用星系系图象象黑洞并并合的的证据据并合使使喷流流的轴轴发生生了约约90度的的变化化3C75正在并并合的的系统？？VLA图图光学上二二个核射电四条条喷流3C75S3C75NRestartedactivity(Laraetal.1999,A&A,348,704)外部Lobe的的谱年龄龄3.5××106年2.3××106年光学观测测可能互作作用1.3pc尺尺度的喷喷流视超光速速运动VLBI观测已已经发现现在相当当数量的的平谱射射电源喷喷流中的的子源存存在视超超光速运运动.多个历元元的VLBI观观测,可可以测量量喷流中中一个子子源(component)相对于于核(core)运动动的角速速度,称称自行行(mas/yr)宇宙学距距离(自行距距离DM=(1+z)Da)视横向运运动速度度速度大小小依赖于于所采用用的宇宙宙学模型型参数(H0,q0)视超光速速运动3C279类星体(z=0.536)Kellermannetal,2003内部喷流流的弯曲曲EGRET源的的VLBI观测测Jostadetal.(2001,ApJS,134,181）对42个个GammaBlarza1993-1997多波波段多历历元观测测33个源源有视超超光速运运动。视视速度分分布高于于其它强强致密射射电源中中视速度度的平均均速度VLBI核光度度与Gamma光度相相关视超光速速运动速速度与视视Gamma光光度的相相关强于于与射电电核光度度的相关关EGRET源是是高度beamed的的活动星星系核1156+296Helicaljet(Hong,Jiangetal.AA,2004,417,887)MERLIN5GHzMERLIN1.6GHzVLBA1.6GHzGlobal5GHzNGC4258H2OmaserVLBI~3.5x107M中央黑洞洞年青的射射电源VLBI观测发发现存在在致密陡谱谱源（CSS，，源大<15kpc））GPS（（GHzPeakedspectrum）GPS源源中有相相当高比比例的源源为致密密对称双双源(CSO,源大小小<1kpc)这些源的的turn-over频率与与源大小小存在反反相关致密对称称源（CSOs）VLBI尺度上上发现一一批致密密对称双双源通过VLBI自自行测量量表明结结构分离离速度0.1-0.4C，相相应的运运动学年年龄102－104年。谱年龄估估算与运运动学年年龄相符符合高的HI吸收检检测率某些源有有高的尘尘埃含量量，寄主主星系有有~108年前merger证据据年轻的射射电活动动源与大对称称双源的的演化关关系？1.4光光学喷喷流HST分分辨率率~0.1角秒秒与与射电VLA相相当至今发发现～～26个个活动动星系核核光学喷喷流M87，，3C264FRI射射电星系系3C273射射电强强类星体体PKS0521-365BLLacObj.---Seyfert13C371OVV---RadioBLLacObj主要结果果1.光学喷流流结构与与射电kpc喷流流结构通通常有很很好的对对应关系系2.通常认为为是同步步加速辐辐射3.M87中中已观观测到光光学喷喷流的视视超光速速运动4.强强beamed源源5.可可能能需要加加速机制制？M87FR1radiogalaxy射电VLBI和光学HST观测---视超超光速运运动PKS0521－3651.5X-ray喷喷流至今已观观测到37个射射电源的的X射线线喷流(Harris,2003,ASPconferenceVol,XXX).基本解释释除了热斑斑以外,X射射线喷流流全是单单边的---不不管什么么辐射机机制,需需要相对对论Beam效效应.FRI:同同步加速速辐射FRII:SSC宇宙微波波背景辐辐射的IC热斑辐射射:SSC要求有些些喷流在在Kpc及更远远的距离离上仍然然是相对对论性的的.（（Lorentzfactor5-10)喷流中的的分量的的X波段段同步加加速辐射射要求辐辐射电子子的e~107,同步步加速辐辐射电子子的辐射射寿命仅仅几年,需要电电子加速速区(激激波区)CentaurusARedRadioBlueX-ray4000光年喷喷流喷流与星星系气体体碰撞产生生激波,产生高能能粒子发发射X射线PKS0637-752Radio8.6GHzATCAChandraXray1.6若若干主主要的结结果及解解释1)经典典双源的的lobes对对称地分分布在核核的二边边,lobes的的巨大能能量是AGN活活动性的的信标之之一。谱指数，，高亮温温度，偏偏振－－－相对论论电子的的同步加加速发射射双向喷流流模型是是由于经经典射电电源的总总的对称称性所推推动的。。2)大大、小尺尺度上检检测到喷喷流并准准直，星星系核向向lobes传传递能量量的证据据。3)喷喷流常呈呈不对称称性，VLBI尺度上上的喷流流几乎都都是单边边的，并并发现射射电喷流流中的视视超光速速运动(SLM)，推推动了相相对论性性喷流模模型的发发展。4)物物质从环环绕黑洞洞的相对对论性势势井中的的逃逸速速度近似似光速,预期从从黑洞环环境中抛抛射的物物质是在在相对论论性速度度上运动动的.5)从从一个自自旋的超超重黑洞洞喷出的的物质是是在很小小的尺度度上准直直的,并并可以在在很长的的时间中中保持其其准直性性。VLBI喷喷流是在在小于0.1pc上上形成和和准直的的,在许许多射电电源中pc尺尺度和kpc尺度的的喷流保保持很好好的准直直。6).AGN核区域域物质的的相对论论性团块块运动产产生的beam效应至至少在射射电强的的AGN中是重重要的,因此它它们的外外貌和分分类必定定高度取取决于源源与观测测者的相相对定向向.7).在在射电电强的AGN中中,可以以预期从从射电到到高能辐辐射都受受到相对对论性喷喷流的beam效应的的影响.相对论性性喷流模模型（团块运运动速度度，Lorentz因因子，视角）多普勒增亮亮因子频率0=1时间dt0=dt1/谱强度I0(0)=I1(1)3=I1(0)(3+)横向运动双向喷流对对比度（（p=3+orp=2+)喷流弯曲相对论性喷喷流模型可可以解释喷流子源的的SLM运运动,单边喷流及及弯曲,高亮温度,高变化性性等现象相对论性喷喷流模型＋＋torus的遮挡挡效应为活活动星系核核的统一模模型提供了了依据。非均匀喷流流模型(Konigle,1981,ApJ,243,700)视角Openingangle速度()电子密度磁场VLBI观观测到的core大大小相应于于光学厚的的喷流在天天空平面的的投影Core的的流量密度度n=2,m=1时时理论上利利用app和可可以确定喷喷流团块速速度及视视角。实际上的的估算是较较困难的。。有几种模型型依赖的方方法均匀球的SSC模型型ssc能均分equi非均匀喷流流的SSC模型jet这些方法各各存在若干干问题，所所以只能在在一定程度度上描述相相对论性增增亮的程度度，定量上上可能有很很大的误差差。核主导参数数Rc假定射电源源的发射在在VLA图图像中核(core)区域的的发射是相相对论性喷喷流增亮的的,而延展展发射几乎乎是各向同同性的通常将在源源坐标系中中5GHz上这两个个发射的比比定义为核核主导参数数Rc.它反映映了核辐射射相对于延延展辐射的的主导程度度,存在相对论论性运动时时(core有有增亮时)P=3+球球分分量P=2+连连续续喷流源相对于观观测者定向向的指针(如果喷流流团块运动动的Lorentz因子近似似相同的话话).二disk-jetconnection各种相关关关系------各种物物理过程之之间的联系系吸积盘辐射射----热辐射谱线辐射----盘盘辐射的电电离光子被被发射线云云吸收后的的再辐射射电喷流----相相对论性电电子的同步步加速辐射射，提取吸吸积盘的能能量或黑洞洞自旋能量量高能辐射低频光子逆逆康普顿散散射同步加速辐辐射的尾部部极高温气体体的热辐射射射电与光学学连续谱辐辐射研究的困难难1)射电电强活动星星系核的射射电辐射存存在着相对对论beam效应的的Doppler增增亮。2)光学学连续谱观观测的分辨辨率太低,通常观观测到的辐辐射中包括括了核及寄寄主星系的的贡献.3）disk辐射存存在几何学学效应以及及torus的遮挡挡问题，加加上对射电电强的活动动星系核,其光学辐辐射中可能能包括了相相对论性喷喷流(被Doppler增亮亮的)辐射射的贡献4)光度度－光度相相关可能由由于对光度度距离的共共同依赖关关系而产生生的伪相关关射电与光学学连续谱相相关陡谱射电类类星体样本本,喷流轴轴接近天空空平面,避避免相对论论性喷流的的影响.发发现射电电总流量与与光学流量量相关(光光度相关).(Serjeantetal,MNRAS,1998,294,494)HSTFRI光学学致密核与与射电核辐辐射相关（（Chiabergeetal.1999，AA，，349，，77）光学核同步步加速辐射射FRI&FRII光光学核光度度与核主导导参数相关关（Kharbetal.,2004,A&A,425，825）光学核辐射射beamed同同步加速辐辐射对FRI及及窄线FRII吸积盘的辐辐射不重要要射电与发射射线辐射相相关谱线辐射没没有相对论论性增亮的的问题直接联系到到中央辐射射源的电离离光度问题：窄线：喷流流与窄线云云的互作用用。宽线：disk-like几几何学可能能存小的定定向效应射电光度与与光学窄线线光度相关关(Xuetal1999,AJ,118,1169)射电与窄线线光度相关关

(Willottetal.,MNRAS,1999，309，1017)7C红移巡巡天（151MHz）射电星星系和陡谱谱类星体＋＋3CR样样本。(Celottietal.,MNRAS,1997,286,415):利用统计得得到的各种种宽线的相相对比值模模型,将观观测到的宽宽线加权相相加估算宽宽发射线光光度.射电延展辐辐射与宽线线光度相关关Cao&Jiang(MNRAS,2001,320,347)利用VLA的观测得得到延展辐辐射(没有有Doppler增增亮的射电电辐射)与与宽线光度度统计研究究发现很好好的相关.宽线光度的的估算Celottietal.的方方法1Jy,s4,s5样本谱线辐射与与VLA核核辐射喷流功率活动星系核核的喷流从从亚pc尺尺度到Mpc尺度有有着相干的的结果，人人们可以在在不同的空空间尺度上上研究喷流流的基本参参数，并给给出类似的的结果。如可以用FRII射射电星系中中喷流的大大的延展的的Lobe来估算喷喷流的功率率。利用同同步加速辐辐射理论或或与热的X射线发射射气体的互互作用估算算最小能量量除以源的的寿命（谱谱年龄等））。射电核几乎乎与外部条条件无关，，如果我们们可以估算算喷流的速速度及物理理参数，人人们估算喷喷流的运动动光度。理论上喷流流的功率的的估算是较较复杂的问问题a）对FRII延展展射电源,jet时时间平均功功率Qint热斑内能(包括粒子子和磁场)Qadv热斑动能Qexp热斑的膨胀胀能量L热斑辐辐射能量Qlobes传送给Lobes的的能量大多数FRII射电电源的同步步加速辐射射仅是喷流流团块运动动功率的一一小部分。。大部分储储存在Lobe中及及由于源膨膨胀对环境境作功而损损失。由于同步加加速辐射损损耗及宇宙宙微波背景景的逆康普普顿散射损损耗，同步步加速辐射射的高频谱谱将变陡，，利用观测测到的射电电谱形状拟拟合可以发发现谱发生生变化的频频率（breakfrequency).用最小能量量的假定（（发射一个个给定的同同步加速光光度的相对对论性电子子和磁场的的总能量最最小））近似似相应于粒粒子与磁场场能均分假假定。估算算磁场谱年龄（Parmaetal,1999，A&A，344，7）谱年龄brbreakfrequencyinGHzB磁场场inGBCMB＝3.2(1+z)2G微波背景辐辐射等效磁磁场大多数延展展源的谱年年零估算在在106-108年左右.b)直接估估算喷流团团块的运动动光度利用VLBI观测结结果（core角大大小，流量量）及X射射线观测，，估算，在某些些假定条件件下再估算算团块Lorentz因子共动坐标系系中的电子子密度f~1正负电子对对min=1等离子体min=100（Celottietal.MNRAS,1993,264,228）Hirotani2004给出了了一个类似似的公式<＋>正电电荷粒子的的平均Lorentz因子<－>电子子的平均Lorentz因子子<m+>正电电荷的质量量喷流功率与与窄线光度度（方法法a)Rawlings&Saunders(Nature,1991,349,138)39个z<0.5FRII射电星系系样本.能均分方法法估算E射电Lobe的谱年年龄及其他他估算年龄龄方法---T发现喷流功功率与窄发发射线光度度有很好的的线性相关关关系.T源寿命=0.5(Willottetal.,MNRAS,1999，309，1017)(方法法a)定义：喷流流的时间平平均功率为为由喷流从从中央能源源传送的总总能量除以以源的寿命命由产产生生所所要要求求的的同同步步加加速速辐辐射射所所需需的的内内能能，，源源寿寿命命，，及及转转换换效效率率，，可可以以估估算算喷喷流流的的平平均均功功率率。。窄线线光光度度转转换换为为电电离离光光度度。。Punsly(astroph0503267)在假假定定Lobe中中粒粒子子占占主主导导条条件件下下（（基基于于X射射线线观观测测））给给出出估估算算喷喷流流运运动动光光度度的的公公式式结果果表表明明与与Willott等等人人给给出出的的结结果果符符合合在在2因因子子左左右右。。喷流流运运动动光光度度与与窄窄线线光光度度（（方方法法b)Celottietal.1993,MNRAS，，264，，228X射射线线光光度度与与光光学学发发射射线线光光度度相相关关Falcketal,(astroph0409125））认为为活活动动星星系系核核可可分分为为二二大大类类Disk主主导导的的AGN吸吸积积率率大大于于临临界界吸吸积积率率喷流流主主导导的的AGN吸吸积积率率小小于于临临界界吸吸积积率率对喷喷流流主主导导的的源源如果果认认为为喷喷流流来来自自光光学学厚厚的的同同步步加加速速辐辐射射，，X射射线线来来自自光光学学簿簿的的同同步步加加速速辐辐射射黑洞洞质质量量，，光光学学厚厚射射电电核核辐辐射射，，光光学学薄薄X射射线线辐辐射射形形成成一一个个基基本本平平面面射电电辐辐射射与与中中央央黑黑洞洞质质量量的的关关系系一个个自自然然的的问问题题：：射电电辐辐射射的的强强弱弱是是否否联联系系到到中中央央黑黑洞洞质质量量的的大大小小射电电辐辐射射是是否否联联系系到到吸吸积积率率FBQS类类星星体体（（Lacyetal.2001，，ApJ,551，，L17））发现现射射电电光光度度与与黑黑洞洞质质量量及及吸吸积积率率的的相相关关对L/LEdd~0.1在低低吸吸积积率率上上相相关关变变弱弱Ho,2001,ApJ,564,120总射射电电辐辐射射射电电核核辐辐射射Snellenetal,2003,MNRAS，，342，，889射电电辐辐射射与与中中央央黑黑洞洞质质量量(SDSS)(McLure&Javis,2004,)经Kendall测测试试，，作作者者认认为为黑黑洞洞质质量量与与射射电电光光度度及及射射电电噪噪度度（（R））都都存存在在相相关关。。但是是没没有有紧紧密密的的相相关关，，在在一一个个给给定定的的黑黑洞洞质质量量上上，，射射电电光光度度可可以以覆覆盖盖好好几几个个量量级级。。黑洞洞质质量量，，吸吸积积率率，，定定向向，，寄寄主主星星系系的的性性质质，，及及成成团团环环境境都都难难以以解解释释射射电电强强及及射射电电宁宁静静。。黑洞洞自自旋旋及及演演化化效效应应可可能能必必须须考考虑虑Wangetal.,2004,ApJ,615,L9利用用Celottietal（（1997））方方法法估估算算35个个Blazars喷喷流流的的运运动动光光度度，，发发现现喷喷流流运运动动光光度度与与disk光光度度相相关关，，并并发发现现如如包包括括黑黑洞洞质质量量作作为为第第二二个个参参数数相相关关进进一一步步改改善善。。三.喷喷流加速问问题辐射压加速速吸积盘磁场场加速转动黑洞磁磁场加速辐射压加速速喷流模型型吸积盘内区区的辐射压压很大,吸吸积盘表面面的部分物物质在吸积积盘辐射压压作用下离离开吸积盘盘.当吸积率很很大时,吸吸积盘内区区的辐射压压会使盘变变厚,形成成几何厚的的盘,在盘盘的轴向形形成漏斗状状通道,由于在通道道内辐射的的净流量有有向内及向向外的分量量，所以物物质被准直直和加速.加速区域大大约在100Rs以内，这种种加速机制制可使喷流流团块速度度小于0.8c.如如果喷流物物质是正负负电子对，，团块的Lorentz因子子可能达到到3－4。。喷流的半半张角大于于10度(BeamandJetinAstrophysics).吸积盘磁场场加速喷流流吸积盘中得得物质环绕绕中央黑洞洞转动,运运动速度接接近Kepler速速度,由于于磁冻结效效应,吸积积盘上的有有序磁场会会随吸积物物质绕黑洞洞转动,盘盘表面的气气体离开吸吸积盘沿磁磁力线加速速运动.喷流的动能能来自吸积积物质环绕绕黑洞转动动的动能需要有开放放的有序磁磁场.磁场与吸积积盘面夹角角小于60度时,喷喷流才能加加速转动黑洞磁磁场加速喷喷流喷流的动能能来自快速速自转的黑黑洞动能需要带电的的转动黑洞洞产生磁场场转动黑洞的的磁场只能能有吸积盘盘中的电流流来维持.Junoretal.Nature,1999,401,891中央黑洞质质量3*109太阳质量Rs~0.0003pc喷流的强准准直发生在在离core~30-100Rs处,并继续续到~1000Rs处,作者解释喷流起源于于disk的外流,加速机制是是MHD模模型二种磁场加加速喷流的的比较(Livioetal.,ApJ,1999,512,100)黑洞半径Rh黑洞自旋角角速度h,极向磁场(poloidal)Bph由