活动星系核

大幅度、短时标光变 → 致密核
• 3C 279几天内可变亮4倍
伽马射线爆发
X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
AGN的类型与喷流和视线的夹角有关
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 表明喷流中最外围团块 的运动速度接近光速的 4倍
射电瓣
核nucleus
射电节 knot
室女星系团中心的巨椭圆星系 第一个观测到(光学)喷流的星系。喷流 光学 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
M87
射电
红外
射电
Centaurus (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）
正常星系
相同视场：光学 vs X射线
Optical (HST)
X-ray (Chandra)
类星体 PKS 1127-145
1.1 高光度
银河系
X射线光度 光学光度 1 1 2 2 射电光度 1
射电星系 100-5,000 赛弗特星系 300-7×104
2X103-2×106 20[-2×106]
天文学导论
第13讲 活动星系核
There is a beast at the centers of galaxies!
本讲内容
1. 2. 3. 4. 活动星系核的观测特征 活动星系核的主要类型 活动星系核的理论模型 超大质量黑洞的观测证据
1。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 galaxies 赛弗特星系 Quasars 类星体 BL Lac objects 蝎虎（座）BL Lac天体
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γ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 （MeVGeV）Sky as observed by EGRET on the Compton Gamma Ray observatory The bright sources above and below the Milky Way are blazars 3C 279
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
3C 273：第一个类星体
3C 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射线双星的暗示
X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
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 射电瓣
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， 证认图 finding chart 强发射线)的总称
NGC 1566
亮核
旋涡星系
NGC 4151逐次深度曝光像
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)
正常星系
4000光年内喷流： Red: radio Blue: Chandra X-ray
HST
NGC 1265：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 现一批这样的旋涡星系，赛弗特星系因此而得名
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-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
• one solar mass per year of gas flowing through such a disk would be sufficient to produce about 3 x 1012 solar luminosities -- roughly 15 times the luminosity of the entire Milky Way galaxy!
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 Lac 天体：非热辐射
多种辐射机制
AGN 相对论喷流的狭义相对论效应
年轻恒星 相对论速度 X射线双星 主要由相对论电子构成？ AGN 产生机制不清（吸积盘？） GRB 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，……
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 大的河外天体 紫外红光-近红外
宇宙大爆炸后约15 亿年时的类星体
类星体通常有喷流，射电喷流通常有双瓣结构
3。活动星系核的理论模型
AGN 的能源问题
L~1045 erg s-1 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
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
赛弗特星系
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
• Ⅱ型仅有窄线
相应的 Doppler 运动速度分别为~104 kms-1 （宽线区）和 ≤ 2 x103kms-1（窄线区）
I型
II型
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 不同类型赛弗特星系的差别可能是由于观测者 视线方向的不同引起
类星体 (3C 273)
2.5×106
250
6×106
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
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
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 一些宣称的更大质量恒 质量的恒星。目前的观 星可能是两个或多个恒 星的集合！ 测支持这一结论
为什么是超大质量黑洞？
爱Lobs <= Ledd,, 吸积黑洞的质量
特征黑洞质量
AGN典型光度
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
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 宇宙学红移
类星体3C 273的谱线 红移 z=0.16 退行 速度~ 4.4×104 kms-1 哈勃定律 距离 ~24亿光年光度= 5×1012 L⊙，为银河 系的~100倍
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。活动星系核的主要类型
2.1 射电星系
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）