天体物理学南京大学课件chapter09

活动星系的能源 1045 erg s-1 活动星系 巨椭圆星系
整个星系 <<1 pc区域
黑洞
X射线双星的暗示
喷流 X射线双星 黑洞吸积
理论模型 星系的活动性源于星系的核心区域（活动星 系核）超大质量（106-1010 M⊙）的黑洞， 黑洞的物质吸积提供了活动星系的能源。
2GM RS = 2 =10-4 pc (M/109M⊙) c
Sloan Digital Sky Survey
Z = 5.00
Z = 4.90
Z = 4.75
大部分连续辐射位于红外波段。
光变时标为几天-几周，最短至几小时。
类星体PKS 0528+134的γ射线辐射变化
有些类星体有喷流，射电源通常有双瓣结构。
3C 273长达30 kpc的喷流
2300-189的射电喷流和双瓣
深入星系核
吸积气体主要来自星系中的星际物质，或在黑洞附近 被潮汐力瓦解的恒星。 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。
黑洞在吸积过程中可 能在黑洞的转动轴方 向形成双极喷流，喷 流在远离核区处与星 系际物质相互作用形 成射电瓣。
黑洞吸积盘周围区域的结构
Energy from a Black Hole
XMM-Newton captured X-ray glow of iron gas close to the event horizon of the black hole in MCG-6-30-15 The iron spectrum has extremely broad "spikes," the bulk of the light must emanate from very close to the black hole. The luminosity indicated by the spectrum, was too bright to be powered by accretion alone, implying the energy lost in MCG-6-30-15 is transferred to the inner edge of the accretion disk
星系团CL0024及背景星系 的引力透镜多重像
星系团CL0024中的物质分布
2. 视超光速运动 (superluminal motion) 天体的抛射物似乎以超光速运动的现象 如对类星体3C273 的观测发现，它的 喷流中的团块运动 速度接近达到光速 的10倍。
视超光速现象并不表 明天体的运动速度是 超光速的，而是由观 测几何效应引起，即 天体抛射物的运动方 向接近于观测者的视 线方向，且运动速度 接近于光速。
类星体实际上是活动星系核。与类星体相比，它们的宿 主星系十分黯淡。 Hubble空间望远镜发现类星体位于星系团中，并观测 到了类星体周围的雾状结构，它们来自宿主星系中的恒 星辐射。
活动星系主要特征的比较
射电星系 赛弗特星系 蝎虎天体 椭圆 旋涡 不明 喷流与双瓣 核区有弱辐射 核区有弱辐射 非热辐射 + 热辐射 宽 宽与窄 无（弱） 0.01-0.3 0.003-0.06 0.05-0.4 恒星 无 无（？） 类星体 类星 喷流与双瓣 宽与窄 0.2->4 前景气体云
类星体0957+561
当引力场源、目标源与观测者位于同一直线上 时，引力透镜表现为爱因斯坦环。
类星体PG 1115+080及其引力透镜引起的环形像
星系团中由引力透镜引起的弧形图案
Einstein十字：引力透镜引起的四重像
通过研究星系团对背景类星体或星系产生的引 力透镜，可以得到星系团内的（暗）物质分布 和宇宙大尺度结构的信息。
光学
类星体PKS 1127-145
X射线
(3) 快速光变
光变时标：几天-1年→核区的大小不超过1光年
(4) 特殊形态
亮核、喷流、不规则形态
(5) 强发射线和极化辐射
2. 同步加速辐射
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。 辐射功率 ~γ2B2β2，其中β= v/c，γ= (1-β2)-1/2. 即电子 的运动速度越快，辐射越强。 方向性强。辐射主要限制在以电子运动方向为轴线的、 半张角为α≈1/γ的圆锥内。电子的运动速度越快，方向 性越强。 连续辐射 幂率谱 显著的偏振性
NGC 1566
具有极亮的星系核，有很强的红外和射电非热 辐射（~1043-1045 ergs-1）。
NGC 5728的地面和空间观测
一些赛弗特星系 有很强且宽的H和 重元素的发射线。 由发射线的宽度 得到电离气体的 10 运动速度达104 kms-1 .
赛弗特星系与正常 星系谱线的比较
根据发射线宽度的不同，赛弗特星系可以分为I型和Ⅱ 型两类。前者同时具有很宽的H线和相对较窄的电离金 属线，后者仅有窄线。相应的Doppler运动速度分别为 ~104 kms-1（宽线区）和≤103 kms-1（窄线区）。不同 类型赛弗特星系的差别可能是由于观测者位置的不同 引起。
射电星系本身的运动造成双瓣射电星系不同的形态
致密型和延展型射电星系在本质上是一致的。 它们不同的形态可能是由观测着视线方向的不 同造成的。
2. 赛弗特（Seyfert）星系
美国天文学家赛弗特于1943年首先发现一些旋 涡星系具有不寻常的亮核和发射线，赛弗特星 系因此而得名。
亮核
星系 NGC 4151的逐 次深度曝光像
从射电源N发出的光子分别经过 100年和101年到达B点和A点。 但对地球上的观测者来说，似乎 射电喷流在1年的时间内就从B点 运动到A点（14光年），即运动 速度是光速的14倍
§9.4 活动星系核的理论模型
1. 活动星系核的统一模型 活动星系的特征 高光度。 非热连续辐射。 快速光变 辐射源大小 < 1 pc。 特殊形态（亮核、喷流）。 宽发射线 辐射源内气体高速运动。
3C 279
在几天到几个月的时标内有快速而猛烈的光变 →致密核
4. 类星体（Quasars）
在20世纪60年代发现 的射电源中，有些光 学视形态类似于恒星， 无法分解，因而被称 为类星射电源，简称 类星体。
光谱中有强而宽的未知发射线。 1963年Maarten Schmidt证认出它们实际上是红 移了的H和其他元素的发射线。
活动星系的特征 (1) 高光度
X射线光度 银河系 射电星系 赛弗特星系 类星体 (3C 273) 1 100-5,000 300-7×104 2.5×106 光学光度 1 2 2 250 射电光度 1 2,000-2×106 20-2×106 6×106
最明亮的河外射电源
(2) 非热连续辐射
正常星系： 黑体辐射，极大值在 光学波段，辐射主要 来自星系 非热 辐射，极大值在远红 外波段
宽发射线区，大小约几 光月，其中电离气体具 有较高的（~104 kms-1） 运动速度； (2) 窄发射线区，大小约10104光年，其中电离气体 具有较低的（~103 kms1）运动速度。 (3) 尘埃区，在宽线区和窄 线区之间，大小约10103光年。
(1)
在不同方向观测，活动星系核表现出不同的特征
100 pc
60 kpc
巨椭圆星系M 87的核心区域中快速旋转的吸积盘
旋转气体，与喷流方向垂直
喷流
核 M~3×109M⊙
星系M 84核心区域的气体运动
R ~26 ly V~400 km s-1 M~3×108M⊙
NGC 4258的水脉泽辐射
利用VLBI在漩涡星系 NGC 4258的核心 0.2 pc 范围内发现分子云的水脉 泽辐射。 不同云块的谱线位移表明 它们的运动遵循Kepler定 律。 由运动速度推测在中心可 能存在一个质量超过 4×107M⊙的黑洞。
Cygnus A
(1) 特征 大部分活动星系是射电星系。 射电光度（~1042-1045 ergs-1）远大于正常星 系（~1037-1039 ergs-1）。 射电辐射一般具有非热性质。 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。
在形态上分为致密型和延 展型两类 致密型射电星系的射电像 与光学像一致或稍小，也 称为核-晕型射电星系。射 电辐射来自核心。 延展型射电星系的射电像 大于光学像，常表现为双 瓣结构（长达1 Mpc）。 射电辐射来自双瓣。
(2) 典型源
M87：室女星系团中心的巨椭 圆星系。第一个观测到喷流的 星系。喷流的长度约2 kpc， 有团块结构，在射电到X射线 波段产生同步加速辐射。
光学像
红外（左）和射 电（右）像
Centaurus A（NGC 5128）：具有射电喷流的超巨椭圆 星系（E2）。可能源于5×108年前的星系合并。
ɺ ɺ L = ηMc 2 → M ~1 M⊙ yr-1(L/6×1045 ergs-1)(η/0.1)-1
黑洞吸积的物质来自由于星系核心附近的恒星 碰撞和星系间碰撞而剥离出的气体。
为什么是超大质量黑洞？ Eddington光度：稳定吸积天体的最大光度 LEdd = 1.3×1038 (M/M⊙) ergs-1 由 Lobs ≤ LEdd , 吸积天体的质量 M ≥107(Lobs /1045 ergs-1 ) M⊙
α为观测者视线与吸积盘自转轴夹角
不同类型活动星系的比较
2. 星系中的超大质量黑洞观测证据
观测证据：星系核区附近气体的动力学特征。 高分辨率观测 → 核区大小；运动 → 核区质量 质量/空间尺度比 →黑洞？ 结论：在活动星系和正常星系的核心存在超大 质量黑洞。
室女星系团中巨椭圆星系NGC 4261中的吸积盘
α 中 心 宽发射 窄发射 黑洞 线 区 线 区 不可 见 可见 不可见 可见 喷流 射电瓣 观测天体