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。CygAVLA4885MHzmapCygA

lobecorehotspotsjetVLAimageVLBIimage22GHzNGC6251

射电图象黑洞并合NGC326X形状的星系占总的星系的7%射电图（AT）+HST二个互作用星系图象黑洞并合的证据并合使喷流的轴发生了约90度的变化3C75正在并合的系统？VLA图光学上二个核射电四条喷流3C75S3C75NRestartedactivity(Laraetal.1999,A&A,348,704)外部Lobe的谱年龄3.5×106年2.3×106年光学观测可能互作用1.3pc尺度的喷流视超光速运动VLBI观测已经发现在相当数量的平谱射电源喷流中的子源存在视超光速运动.多个历元的VLBI观测,可以测量喷流中一个子源(component)相对于核(core)运动的角速度,称自行(mas/yr)宇宙学距离(自行距离DM=(1+z)Da)视横向运动速度速度大小依赖于所采用的宇宙学模型参数(H0,q0)视超光速运动

3C279类星体(z=0.536)Kellermannetal,2003内部喷流的弯曲EGR平ET源侦的VL希BI观驱测Jost免ade毅tal.盼(20袖01,A碍pJS,蜓134,蔬181）对42个川Gamm牵aBl选arza帝199来3-19买97多波坛段多历元立观测33个尤源有视搁超光速扁运动。岂视速度赢分布高棋于其它套强致密柿射电源分中视速申度的平医均速度VLBI喜核光度与娱Gamm树a光度相倾关视超光速照运动速度乐与视Ga械mma光貌度的相关路强于与射慨电核光度怕的相关EGRE乳T源是高亚度bea影med的皂活动星系讲核115递6+2导96纷He趟lic樱al复jet伪(Hong翅,Ji唇ang肚etal桌.AA缩慧,200鼓4,41没7,88吹7)MER骗LIN5G笨HzMERL五IN1.6G臣HzVLBA1.6G绝HzGlob庭al5G励HzNGC尊425苦8痒H2Om拳ase榜rV期LBI碎~圣3.始5x1咳07M中央黑腹洞年青的射似电源VLB妻I观测逗发现存再在致密陡须谱源（减CSS降，源大患<15陡kpc躲）GPS（傻GHz仇Peak钱eds装pect两rum）GPS啄源中有篇相当高钢比例的听源为致存密对称目双源(膊CSO湾,源大却小<1范kpc兰)这些源晋的tu搬rn-铜ove仁r频率哈与源大椅小存在酒反相关致密对闲称源（榆CSO半s）VLB盾I尺度伟上发现晕一批致州密对称立双源通过VL榜BI自行岔测量表明宋结构分离四速度0.泼1-0.听4C，相宰应的运动根学年龄1居02－104年。谱年龄骨估算与岛运动学盟年龄相怠符合高的HI董吸收检测脾率某些源有楚高的尘埃近含量，寄桑主星系有马~108年前m悲erg羽er证译据年轻的串射电活蠢动源与大对称贷双源的演鸣化关系？1.4鞠光厅学喷流HST贵分昂辨率~0超.1角秒翻与射引电VLA裹相当至今发歼现～2统6个活却动星系核吵光学喷流M87，鼻3C2脖64F负RI射奋电星系3C27铲3射赔电强类星继体PKS置0521单-365窝BLLa阳cOb初j.-墓--勾Seyf侧ert贸13C37脊1舍OVV于---唯Rad社ioB伶LLa抗cOb鬼j主要结稿果1.光学喷流甜结构与射犁电kp叫c喷流著结构通常岂有很好的抬对应关系2.通常认为酷是同步加基速辐射3.M87屠中已观测喉到光学歇喷流的视戏超光速运谈动4.富强be千amed芽源5.扇可摇能需要钥加速机查制？M87廉F设R1r帮adio向gal祥axy射电VLB昂I和光学HST观测-击--视毛超光速纺运动PKS猛05免21－惯3651.5瘦X-教ray道喷流至今已观乞测到37栋个射电源冒的X射线苗喷流(Har唯ris,萄200娃3,A界SPc收onfe蓄renc渠eVo蚁l,XX套X).基本解钥释除了热斗斑以外沙,X例射线喷饮流全是竖单边的妙---绞不管什煎么辐射巷机制,获需要相仅对论B熄eam挣效应绑.FRI做:偏同步加青速辐射FRII剥:顿SSC宇宙微波按背景辐射催的IC热斑辐辱射:暑SSC要求有垄些喷流浪在Kp朝c及更踢远的距砍离上仍形然是相返对论性之的.圈（Lo就ren洲tz祥fac晓tor狠5-浴10)喷流中辛的分量梁的X波代段同步导加速辐灶射要求烂辐射电侦子的e~107,同步撤加速辐射唤电子的辐涨射寿命仅泊几年,需表要电子加尊速区(激窃波区)Cent收auru悟sARed捡R京adi眠oBlu厘e施X-耳ray400边0光年柔喷流喷流与星暴系气体碰撞产生固激波,产生高廊能粒子弯发射X射线PKS敌063箩7-7斑52Radi旗o8絮.6GH搬zATCACha技ndr锄aXr咸ay1.6纵若干暴主要的除结果及萌解释1)经典蒙双源的l酷obes澡对称地分幸布在核的勿二边,伟lobe螺s的巨旗大能量是耕AGN活岸动性的信尾标之一。谱指数澡，高亮你温度，裕偏振－怜－相对歇论电子蝴的同步俭加速发凭射双向喷膏流模型村是由于尾经典射愤电源的朱总的对羽称性所强推动的脂。2)大喜、小尺度导上检测到巧喷流并准足直，星系秀核向lo术bes传骆递能量的狼证据。3)蝴喷流常卫呈不对弯称性，南VLB滩I尺度辨上的喷拜流几乎尿都是单踩边的，蓄并发现瓦射电喷目流中的刚视超光恋速运动迎(SL项M)，铸推动了布相对论匀性喷流批模型的昆发展。4)裤物质从雅环绕黑胡洞的相耽对论性酬势井中集的逃逸枯速度近行似光速泪,预期胡从黑洞址环境中直抛射的齐物质是议在相对互论性速虏度上运墓动的.5)序从一个邻自旋的霜超重黑悲洞喷出肚的物质绪是在很住小的尺怒度上准辰直的,段并可以滨在很长稿的时间商中保持博其准直跳性。V争LBI慢喷流是羡在小于笨0.1锋pc赢上形成旁和准直饼的,在柜许多射萌电源中羞pc报尺度和掘kp请c尺度裁的喷流刺保持很啦好的准衰直。6).寸AG画N核区廊域物质构的相对害论性团匆块运动狱产生的瓣bea暴m效应驱至少在艳射电强破的AG年N中是惹重要的肤,因此放它们的丙外貌和项分类必孝定高度梢取决于刷源与观罪测者的洞相对定铁向.7).犯在射电强卫的AGN亡中,可以学预期从射谦电到高能麦辐射都受绞到相对论叶性喷流的保beam获效应的影司响.相对论性仙喷流模型（团块惹运动速贴度，L绍ore父ntz踩因子，视角）多普勒增种亮因子频率0=1时间恐dt0=dt1/谱强度惯I0(0)=摇I1(1)3=I1(0)(3+)横向运源动双向喷徐流对比钻度镰（输p=3碍+贼or蜡p=2酒+)喷流弯捎曲相对论毕性喷流巡寿模型可劣以解释喷流子源版的SLM妇运动,单边喷流肢及弯曲,高亮温度揪,高变化晋性等现象相对论性渠喷流模型物＋tor盐us的遮豆挡效应为紧活动星系代核的统一丽模型提供壁了依据。非均匀物喷流模亿型(Kon湖igle技,198子1,Ap脂J,24打3,70名0)视角Ope暮nin族ga航ngl俗e速度(举)电子密度磁场VLBI疲观测到的犯core谅大小相应运于光学厚喷的喷流在网天空平面芒的投影Core寇的流量密佩度n=2顷,m=塌1时理论上羊利用app和凡可以却确定喷械流团块招速度脸及视角概。实际上买的估亚算是较冒困难的扭。有几种模贿型依赖的科方法均匀球他的SS饰C模型锯ssc能均分equ较i非均匀喷马流的SS侮C模型jet这些方四法各存标在若干左问题，袭所以只昌能在一印定程度遮上描述渴相对论泛性增亮退的程度遭，定量滔上可能要有很大冻的误差救。核主导气参数Rc假定射恒电源的励发射在失VLA驼图像中甘核(c盏ore洗)区域砌的发射含是相对窄论性喷酬流增亮含的,而寄延展发叨射几乎递是各向连同性的通常将瘦在源坐烧标系中畜5GH拥z上这征两个发供射的比榨定义为奋核主导糠参数Rc.它惠反映了技核辐射解相对于体延展辐份射的主佳导程度锁,存在相对块论性运动唤时(纸core武有增亮时毁)P=3谅+祸球棍分量P=2嗽+躁连器续喷流源相对于握观测者定以向的指针凝(如果喷副流团块运碗动的Lo君rent恰z因子近菠似相同的旗话).二晌dis舍k-j妖et都con储nec卷tio俊n各种相关非关系---乎---兵各种物脂理过程朋之间的晚联系吸积盘辐花射---赌-热辐射谱线辐射条----监盘辐射的聚电离光子滩被发射线皇云吸收后休的再辐射射电喷障流--捕--相甩对论性性电子的怖同步加惊速辐射邀，提取葱吸积盘复的能量缝或黑洞鲜自旋能肿量高能辐暮射低频光子背逆康普顿墨散射同步加凝速辐射菜的尾部极高温扮气体的婶热辐射射电与雕光学连鞭续谱辐灿射研究的雄困难1)射纸电强活动枪星系核的梳射电辐射谋存在着相借对论be豆am效应填的Dop测pler别增亮。2)光陶学连续谱智观测的分掌辨率太低疮,通常艺观测到的洪辐射中包叹括了核及纤寄主星系停的贡献.3）di局sk辐射动存在几何乳学效应以饥及tor析us的遮钞挡问题，幕加上对射耕电强的活酬动星系核坏,其光学亏辐射中可抚能包括了痰相对论性火喷流(被秆Dopp剖ler增浇亮的)辐化射的贡献4)光问度－光度视相关可能裁由于对光晓度距离的内共同依赖远关系而产沸生的伪相园关射电与光垦学连续谱搏相关陡谱射电急类星体样剩本,喷流娃轴接近天穷空平面,割避免相对束论性喷流回的影响.楚发现射牧电总流量瓜与光学流况量相关(塑光度相关薯).(Se与rje挽ant势et祸al由,MN穷RAS转,19膊98,溜294伸,49魄4)HST极FR雨I光学已致密核不与射电始核辐射横相关麦（Chia匹berg需eet顷al.解199谷9，AA伞，349误，77）光学核村同步加项速辐射FRI&葵FRII纪光学核光发度与核主猪导参数相尿关（Kh信arb畏et左al造.,透200哈4,A轨&A,味425魄，82椒5）光学核读辐射b鹊eam家ed遥同步加处速辐射对FR基I及窄往线FR洲II吸积盘的坝辐射不重断要射电与发赞射线辐射吵相关谱线辐射欧没有相对那论性增亮壳的问题直接联系滩到中央辐址射源的电揉离光度问题：窄线：猎喷流与产窄线云竭的互作角用。宽线：d头isk-攻like疤几何学可趴能存小的丢定向效应射电光度渗与光学窄织线光度相帅关(Xue辟tal详1999欠,AJ姑,11落8,1荒169)射电与窄蜂线光度相蚕关

(W绍illo尊tte谅tal块.,M迎NRAS果,199项9，30她9，10阿17)7C红拉移巡天舍（15最1MH税z）射惠电星系叼和陡谱框类星体长＋3C告R样本称。(Cel聋otti签et贡al.,旱MNRA匀S,19爹97,2在86,4森15):利用统牲计得到蜓的各种倚宽线的烤相对比桃值模型独,将观女测到的软宽线加秋权相加难估算宽暑发射线弟光度.射电延呆展辐射谊与宽线盒光度相宿关Cao&摸Jian全g(MN犬RAS,予2001买,320装,347播)利用VL垦A的观测嫂得到延展颠辐射(没鞭有Dop址pler度增亮的射芬电辐射)辽与宽线光鱼度统计研蚕究发现很巴好的相关地.宽线光度话的估算Celo详tti萍eta王l.的剑方法1Jy嚷,s后4,s皂5样本谱线辐射标与VLA窗核辐射喷流功率活动星免系核的陶喷流从捡亚pc扫尺度到浅Mpc腐尺度有因着相干隐的结果塑，人们锦可以在岂不同的丑空间尺外度上研宽究喷流最的基本成参数，昆并给出年类似的罚结果。如可以晋用FR裳II射密电星系偏中喷流它的大的岩延展的疮Lob恩e来估闷算喷流厘的功率则。利用庭同步加惨速辐射术理论或穷与热的宵X射线钉发射气宜体的互夜作用估职算最小圆能量除护以源的数寿命（凉谱年龄雀等）。射电核追几乎与扇外部条占件无关表，如果痰我们可派以估算烦喷流的肆速度及通物理参谋数，人废们估算亚喷流的罢运动光耕度。理论上吩喷流的续功率的偷估算是态较复杂俭的问题a）对饱FRI妹I延展锡射电源让,这j私et时济间平均卡功率Qint热斑内能谨(包括粒登子和磁场馋)Qadv热斑动能Qexp热斑的膨袖胀能量L热斑精辐射能量Qlobe框s传送给L马obes蜜的能量大多数竹FRI示I射电炮源的同泉步加速欢辐射仅扎是喷流凑团块运掉动功率陵的一小匆部分。劣大部分柜储存在宽Lob猴e中及悔由于源斧膨胀对诉环境作饮功而损澡失。由于同步原加速辐射我损耗及宇巡寿宙微波背绑景的逆康俗普顿散射懂损耗，同精步加速辐男射的高频耀谱将变陡牵，利用观李测到的射铲电谱形状盗拟合可以嫂发现谱发团生变化的零频率（b姐reak召fre颗quen浊cy).用最小洋能量的姥假定（织发射一秤个给定站的同步僻加速光逐度的相特对论性志电子和咱磁场的蕉总能量完最小积）近似撤相应于亩粒子与钩磁场能瞧均分假踢定。估贪算磁场谱年龄（Pa间rma镇et礼al委,19京99，龄A&A猾，34换4，7挖）谱年龄brbrea驶kfr荒eque怕ncy捷inG辫HzB挤磁场仇in司GBCMB＝3.2蚕(1+z东)2G微波背荐景辐射康等效磁念场大多数延侮展源的谱膨年零估算剧在106-108年左右衔.b)直腰接估算吧喷流团只块的运漆动光度利用V楼LBI棚观测结盈果（c牺ore晨角大小怎，流量召）及X签射线观义测，估逃算，在厌某些假温定条件验下再估酒算团块惜Lor笑ent破z因子共动坐标解系中的电算子密度f~1正负电皆子对像min=1等离子体刊min=10田0（Celo暑tti秧eta贫l.M仔NRAS淡,199剩3,26村4,22孤8）Hiro朽tani傍200淹4给出员了一个类羡似的公式<＋>兽正电荷我粒子的桌平均L功ore棕ntz手因子<－>歇电子的劳平均L纪ore次ntz劫因子<m+>互正电荷泊的质量喷流功率干与窄线光调度（方主法a)Rawl犁ings煎&Sau遮nder畏s(Nat坏ure,嫩1991用,349拜,138牌)39个z枣<0.5宰FRI描I射电星僵系样本.能均分泻方法估随算E射电Lo免be的谱阁年龄及其钳他估算年稍龄方法-醒--T发现喷流穿功率与窄特发射线光唤度有很好叙的线性相只关关系.T源寿帅命=0.护5(Wil奏lott养et只al.巾,MNR从AS,1羽999，擦309，液1017城)(方晓法a)定义：验喷流的那时间平菊均功率右为由喷德流从中看央能源驴传送的歪总能量永除以源具的寿命由产生抚所要求赛的同步食加速辐际射所需左的内能沙，源寿武命，及师转换效信率，可清以估算协喷流的戚平均功驻率。窄线光赞度转换初为电离裤光度。Pun惊sly拐(a巧str匀oph揪050亭326乖7)在假定赠Lob那e中粒杠子占主腰导条件递下（基菌于X射袜线观测衫）给出攻估算喷落流运动庭光度的震公式结果表明慢与Wil已lott胆等人给出督的结果符侨合在2因祥子左右。喷流运讽动光度眼与窄线饮光度（员方法b坊)Celo漫tti指eta遇l.1宁993,乘MNRA押S，26托4，22目8X射线章光度与吩光学发拨射线光明度相关Falc圾ket绞al,(竟astr加oph0扁4091陆25）认为活动嫌星系核可剃分为二大妨类Dis疑k主导界的AG屠N稼吸积惯率大于络临界吸捐积率喷流主豪导的A些GN昆吸抹积率小迈于临界诊吸积率对喷流主拖导的源如果认为咐喷流来自膛光学厚的掠同步加速晃辐射，X洲射线来自归光学簿的厦同步加速蜡辐射黑洞质量膜，光学厚揉射电核辐杜射，光学没薄X射线禾辐射形成睁一个基本存平面射电辐候射与中骨央黑洞象质量的葛关系一个自芒然的问球题：射电辐详射的强宏弱是否活联系到私中央黑识洞质量姻的大小射电辐射泽是否联系罚到吸积率FBQ识S类星罩体（淋Lac忧ye晓ta光l.吹200率1，A剪pJ,垮551交，L1松7）发现射电化光度与黑亩洞质量及利吸积率的佣相关对L/LEdd~0.平1在低吸积扯率上相关那变弱Ho,纵20蒜01,鼻ApJ之,56壁4,1均20总射电咱辐射射电核嫌辐射Snel狸len度eta队l,2叠003,奶MNRA昆S，34康2，88枪9射电辐射坚与中央黑偶洞质量(籍SDSS萄)

(McL株ure受&Ja赶vis判,20籍04,触)经Ken吉dall粥测试，作殃者认为黑旷洞质量与析射电光度席及射电噪符度（R）辟都存在相纺关。但是没有涂紧密的相匀关，在一粘个给定的翻黑洞质量细上，射电翠光度可以搭覆盖好几因个量级。黑洞质量假，吸积率辫，定向，适寄主星系可的性质，秆及成团环抚境都难以棉解释射电序强及射电鸭宁静。黑洞自港旋及演恋化效应个可能必披须考虑Wan暗ge言ta许l.,坝200劲4,A泳pJ,漆615野,L9利用Ce糖lott参iet绘al鸭（199蝴7）方法疏估算35俱个Bla次zars撇喷流的纵运动光度汇，发现喷枕流运动光艺度与di说sk光度岗相关，并俩发现如包断括黑洞质逼量作为第疲二个参数唇相关进一推步改善。三.潮喷流迫加速问土题辐射压朴加速吸积盘磁才场加速转动黑呈洞磁场私加速辐射压价加速喷醋流模型吸积盘内余区的辐射度压很大,慕吸积盘表振面的部分慨物质在吸横积盘辐射悦压作用下宾离开吸积套盘.当吸积率寒很大时,除吸积盘内草区的辐射平压会使盘挽变厚,形禾成几何厚枣的盘,在茧盘的轴向乐形成漏斗纳状通道,由于在醋通道内继辐射的脊净流量疑有向内猎及向外塞的分量压，所以索物质被嗓准直和戴加速.加速区域纷大约在1泡00Rs以内，干这种加机速机制怀可使喷眉流团块归速度小他于0.撒8c.议如果喷等流物质侮是正负逼电子对添，团块浓的Lo踪蝶ren旷tz因炉子可能后达到3辣－4。饥喷流的醒半张角贴大于1皇0度(膝Bea涝ma葡nd凡Jet尚in奏As塌tro建phy土sic虑s).吸积盘磁却场加速喷神流吸积盘中塘得物质环叛绕中央黑膜洞转动,斥运动速度品接近Ke锣pler绞速度,由界于磁冻结祥效应,吸栋积盘上的陡有序磁场脆会随吸积我物质绕黑荣洞转动,洲盘表面的教气体离开矛吸积盘沿葱磁力线加连速运动.喷流的拜动能来萌自吸积搜物质环编绕黑洞屿转动的哪动能需要有开变放的有序勺磁场.磁场与拜吸积盘墙面夹角步小于6扁0度时颤,喷流生才能加洲速转动黑算洞磁场蚊加速喷牵流喷流的舅动能来耽自快速且自转的赤黑洞动导能需要带电兄的转动黑饥洞产生磁陕场转动黑洞钩的磁场只按能有吸积泳盘中的电冲流来维持征.Jun汁or降et使al.侮Na均tur呀e,1刑999彩,40细1,8营91中央黑严洞质量扔3*父109太阳质桑量Rs~0.凤000傲3pc喷流的强佳准直发生功在离co郊re~30-养100Rs处,并继肚续到~1四000Rs处,作者解释喷流起源糠于dis暑k的外流平,加速机制锻是MHD仇模型二种磁场每加速喷流纳的比较骆(Liv维ioe眉tal现.,A镇pJ,增1999旺,51辟2,10遗0)黑洞半径确Rh黑洞自员旋角速某度h,极向磁场核(pol奋oida阅l)Bph由BZ过口程可以提凡取能量的旦最大速率荣(光度)黑洞无量宇纲自转参摩数吸积盘半周径Rd(发射草一半吸邻积光度仔的半径种,~递几个Rh)Rd处吸积盘胳的角速度h,吸积盘表蒜面磁场极稿向分量(脂polo何idal供)Bpd最大的娇吸积盘鼠加速喷搞流的功器率取近似(耻盘