南京大学天体物理学课件9

null 第九章 活动星系 第九章 活动星系 §9.1 星系的活动性 §9.2 活动星系与活动星系核 §9.3 引力透镜和视超光速运动 §9.4 活动星系核的理论模型 §9.1 星系的活动性§9.1 星系的活动性1. 活动星系 绝大部分星系是正常星系，但也有部分星系 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现出强烈的活动性，在观测上分为下面几种： 射电星系 赛弗特星系 蝎虎（BL Lac）天体 类星体null活动星系的特征 (1) 高光度 null最明亮的河外射电源(2) 非热连续辐射(2) 非热连续辐射正常星系： 黑体辐射，极大值在光学波段，辐射主要来自星系内的恒星 活动星系： 热辐射（红外）+ 非热辐射，极大值在远红外波段 null光学X射线类星体PKS 1127-145 (3) 快速光变(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(4) 特殊形态亮核、喷流、不规则形态(5) 强发射线和极化辐射(5) 强发射线和极化辐射2. 同步加速辐射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 3. 活动星系 3. 活动星系 在所有的星系中活动星系所占的比例很小，约2%。星系的距离越远，活动星系的比例越大。 绝大部分活动星系是椭圆星系。 活动星系的高光度反映出它们的寿命很短，因此不可能独立成系，可能是正常星系的某个演化阶段。 §9.2 活动星系与活动星系核§9.2 活动星系与活动星系核1. 射电星系 (radio galaxies) 1960s, 英国射电天文学家完成 the 3rd Cambridge Catalog of radio sources. 很多射电源与遥远光学星系位置重合。 这些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。 它们称为射电星系。Cygnus Anull(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。null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。null(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 nullCentaurus 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。 光学像：尘埃带 射电像 ：双瓣结构 nullCygnus A：典型的双瓣结构（相距约300 kpc），与星系合并有关。 nullNGC 1265：头尾型射电星系。 (3) 理论模型 (3) 理论模型 射电星系的致密核（超大质量黑洞）以连续喷流或分立团块的形式，向两侧对称地抛射高能电子。 高能电子冲击星系周围的物质产生双瓣。 高速运动的电子在磁场中产生同步加速辐射。 nullnull射电星系本身的运动造成双瓣射电星系不同的形态null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 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。NGC 1566 NGC 4151的逐次深度曝光像亮核星系null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 nullnull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运动速度达104 kms-1 .赛弗特星系与正常星系谱线的比较 null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。null光变时标为几个月→致密核3C 84的射电变化 null赛弗特星系的活动性可能与星系间的相互作用有关。 马卡良315 3. 蝎虎（BL Lac）天体 3. 蝎虎（BL Lac）天体 原型：蝎虎座BL（1929年发现）。恒星状，有暗弱包层 null非热连续谱，发射线极弱或完全观测不到。 在γ射线辐射主要能量，同时有强烈的射电、红外辐射。 通常是椭圆星系。 3C 279null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） 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。null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。类星体3C 273的谱线红移量达到16%Maarten Schmidtnull通常认为这种红移是由宇宙膨胀的多普勒效应引起。 类星体3C 273的红移表明它的退行速度达到4.4×104 kms-1 →距离~660 Mpc。 目前观测到的类星体最大红移达到6。 因此类星体是人们观测到的最遥远、最年老、也是辐射功率最大的河外天体。Sloan Digital Sky SurveySloan Digital Sky SurveyZ = 4.90Z = 5.00Z = 4.75null大部分连续辐射位于红外波段。null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null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 null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 活动星系主要特征的比较 射电星系 赛弗特星系 蝎虎天体 类星体 光学形状 椭圆 旋涡 不明 类星 射电形状 喷流与双瓣 核区有弱辐射 核区有弱辐射 喷流与双瓣 连续谱 非热辐射 + 热辐射 发射线 宽 宽与窄 无（弱） 宽与窄 谱线红移量 0.01-0.3 0.003-0.06 0.05-0.4 0.2->4 吸收线来源 恒星 无 无（？） 前景气体云§9.3 引力透镜和视超光速运动 §9.3 引力透镜和视超光速运动 1. 引力透镜 (gravitational lens) AC114双类星体具有完全相同的谱与红移。类星体AC114null它们实际上是同一类星体的引力透镜表现。 引力透镜——引力场源对位于其后的背景天体（如类星体）发出的电磁辐射所产生的会聚或多重成像效应。类星体0957+561 null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 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 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 Einstein十字：引力透镜引起的四重像 null 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。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 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。 null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。 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 §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。null活动星系的能源 活动星系巨椭圆星系<<1 pc区域整个星系黑洞1045 erg s-1nullX射线双星的暗示喷流黑洞吸积X射线双星null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。 =10-4 pc (M/109M⊙)~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。null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⊙深入星系核深入星系核null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。 null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黑洞吸积盘周围区域的结构宽发射线区，大小约几光月，其中电离气体具有较高的（~104 kms-1）运动速度； 窄发射线区，大小约10-104光年，其中电离气体具有较低的（~103 kms-1）运动速度。 尘埃区，在宽线区和窄线区之间，大小约10-103光年。 在不同方向观测，活动星系核表现出不同的特征 在不同方向观测，活动星系核表现出不同的特征 α为观测者视线与吸积盘自转轴夹角null 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 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。null室女星系团中巨椭圆星系NGC 4261中的吸积盘60 kpc100 pc巨椭圆星系M 87的核心区域中快速旋转的吸积盘巨椭圆星系M 87的核心区域中快速旋转的吸积盘喷流核旋转气体，与喷流方向垂直M~3×109M⊙星系M 84核心区域的气体运动 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。Energy from a Black Hole 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 diskTwo spectral lines are present at 6.4 keV: the narrow blue line corresponds to X-rays coming from iron that is far away from the black hole, towards the outer parts of the accretion disc. The broad yellow line is the new mystery feature fully revealed by XMM-Newton. 3. 活动星系的演化 3. 活动星系的演化 类星体的大红移表明它们的距离很远，因此在宇宙早期类星体的数目较多，而正常星系相对较少。 →星系刚形成时可能都表现为类星体。对类星体PG 0052+251的观测发现它所处的星系十分年轻，反映类星体处于星系演化中早期的、具有较强活动性的阶段。null星系的演化 (1) 类星体是宇宙演化早期的天体。 (2) 在类星体、活动星系和正常星系的核心都有证据表明存在超大质量的黑洞。 (3) 从类星体到活动星系到正常星系，星系的活动性逐渐降低。 因此，一种可能的演化路径是： 活动性降低可供消耗的原料减少类星体射电星系赛弗特星系正常旋涡星系椭圆星系null大约100亿年前，星系形成 → 星系核心坍缩、相互碰撞或快速恒星形成导致中心产生超大质量黑洞。 → 黑洞的快速吸积使得核心异常明亮，远远超过星系其它部分，成为类星体。 → 随着黑洞周围的物质逐渐耗尽，核心的光度逐渐减小，但星系仍处于活动状态（活动星系），星系的热辐射开始变得越来越重要。 → 当核心活动停止，星系成为正常星系。 → 星系间的相互作用可以为其中的黑洞提供新鲜原料，触发近星系的活动现象。