宽吸收线类星体物理研究_教学参考-查字典物理网

摘要:现在普遍相信类星体的反馈会调节寄主星系形成的进程,但其中具体的物理过程依然是个谜.类星体的外流是一个重要的候选者.为了确定外流的重要性,中国科学技术大学天体物理中心开展了宽吸收线类星体的一系列研究,取得了一些进展: (1)宽吸收线区的紫外吸收物质的柱密度比原来预计高出2个量级,低电离吸收线形成于饱和的高电离吸收线区;(2)射电宁静的宽吸收类星体吸收物质主要在赤道面,并且不同的源吸收物质分布情况很不相同,而在射电强的类星体中,赤道和极向外流都是可能的;(3)共振散射线偏振表明,外流物质携带角动量.

关键词:类星体, 吸收线

The physics of broad absorption line quasars

WANG Ting|Gui

(Center for Astrophysics , University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

AbstractQuasar feedback is considered a crucial process in galaxy formation and evolution; however, details of the physical process remain a mystery. Quasar outflow is one possible process. To assess the importance of quasar outflow we have performed a series of studies on broad absorption line (BAL) quasars, and have obtained the following results. (1)The UV absorption column density is an order of magnitude higher than previously believed, and low ionization BALs are formed in the high ionization zone. (2) In radio|quiet BAL quasars, the outflow is mainly confined to the equatorial directionwhile in radio|loud ones both equatorial and polar outflows are possible. (3) The polarization of resonantly scattered lines suggests that the outflow carries large angular momentum.

Keywordsquasars, absorption lines

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1 引言

一些星系中心的超大质量黑洞吸积周围的气体,气体在下落到黑洞过程中将巨大的引力结合能转换成粒子的热运动动能,产生大量的电磁辐射,同时吸积也是大质量黑洞增长的过程.它们的辐射光度甚至超过整个星系的恒星光度百倍,我们称这些天体为活动星系核.近10年来的观测表明,几乎所有大质量星系的中心都存在超大质量黑洞,核活动是星系演化的一个特殊阶段.人们普遍相信核活动巨大的能量输出使得它在星系演化的过程中起关键的作用,产生了一系列观测到的黑洞质量与星系参数的相关性.类星体是高光度的活动星系核统称.

大约10%—20%的类星体具有宽的、蓝移的离子吸收线,这些类星体被称为宽吸收线类星体(BAL QSO).最常见的紫外吸收线有CIV1549, NV1240, Lyα, SiIV1397, OVI1032, MgII2798, AlIII1870 等类Li离子共振吸收线(如图1所示),这些吸收线是由类星体部分电离的高速外流物质吸收连续谱产生的,外流的速度可高达0.1c—0.2c(c为光速).如果这些外流具有足够的质量外流速率,它可能是联接核活动与星系演化的关键物理过程,同时也将对吸积过程产生重要影响. 因此确定宽吸收线类星体物理参数近年来受到特别重视.

本文将介绍宽吸收线类星体的研究背景和我们近年来在这方面开展的一些研究工作,包括吸收物质的柱密度,外流的几何以及外流角动量的确定等. 

2 宽吸收类星体中外流的基本图像

目前对宽吸收线类星体有2类截然不同的观点:人们较为普遍接受的观点是,所有的类星体都具有宽吸收线外流, 但外流只覆盖一少部分的立体角,换言之,只在类星体的一些视线方向上观测到了外流;另一类观点是,只有一些特殊的类星体具有宽吸收线外流.观测检验这2个观点的主要方法是:(1)通过比较BAL QSO吸收线区的覆盖因子与观测到宽吸收线类星体的比例, 如果二者一致,则支持第一类模型;(2)检验BAL QSO与非BAL QSO性质在统计上的差别,如果有差别,则二者可能是不同的. 第一类检验主要通过离子共振散射谱线的强度与理论模型预言的比较来确定.对大部分吸收线而言,离子与光子的作用并不是真吸收而是共振散射,因而通过测量别的方向上散射过来的光就可以确定散射物质覆盖的区域.这一方法给出宽吸收线区的覆盖因子上限为30%,但一定程度上与模型相关. 第二类方法发现BAL与非 BAL QSO只在发射线轮廓上有细微差别,BAL QSO的CIV线更加蓝移,这可能说明它们有不同,或者只是二类系统不同的视角方向引起的,前者支持第一种观点,而后者支持第二种观点,因此第二类方法并没有给出明确的倾向.

宽吸收线外流是由辐射加速的,如果外流的电离程度合适,活动星系核强的紫外辐射可以非常有效地加速物质外流.在光学薄的情况下,辐射加速度可以写成:

其中σν为单位质量物质对频率为ν的光子的吸收截面,Lν为频率ν处单位频率间隔的光度,λ为平均吸收截面与电子散射截面之比,LUV为积分光度,LEdd为完全电离的氢辐射压与引力平衡时辐射光度(称为Eddington光度), M为黑洞的质量.对于典型的类星体而言,LUV/LEdd~0.1,λ取决于具体的吸收过程, 主要包括谱线的共振散射或者连续谱的光电吸收过程. 对于典型的类Li离子电离物质而言,共振散射的截面与光电吸收的截面之比量级为105.但共振散射只能发生在吸收物质共同坐标系共振频率附近,很容易饱和,因此它的重要性取决于吸收物质的速度梯度.对于共振散射光学厚的物质,二者的相对重要性由柱密度的速度梯度(n(dr/dν))以及电离连续谱的形状决定.在考虑的电离度范围,λ估计在10—10000之间. 在一些情况下,尘埃的吸收也是重要的辐射力来源.观测上发现吸收线轮廓的一些特征也表明共振线辐射压是外流的重要加速机制,如CIV吸收坑中有时在速度5800km/s处有剩余流量的峰,这是由于NV离子吸收类星体强的Lyα发射线后获得额外的加速度而使得该速度段的离子数目降低引起的.

一些宽吸收线类星体的吸收坑的深度比局部连续谱深,从而要求宽吸收线物质同时也吸收发射线,换言之,宽吸收线区在发射线区外.对于类星体,典型的宽发射线区的尺度为1016—1017cm, 作为比较,典型的108M质量黑洞的半径为1.5×1013cm.宽吸收线区可能延伸到pc(秒差距)尺度.从紫外吸收坑我们可以估计吸收离子柱密度的下限,这个下限对应的物质柱密度只有1021cm-2, 从吸收线轮廓看,吸收物质是连续地外流,从而估计吸收物质密度只有105—106cm-3.这种低密度的物质暴露在类星体的强辐射场中,物质的电离程度很高,类Li离子很难存在.一种解决方案是,在宽吸收线的内部存在高电离的吸收物质,这些物质吸收软X射线,从而保证外面的类Li离子的存在.宽吸收线类星体中观测到强的软X射线吸收支持这种解决方案.

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