AGN的X射线辐射和X射线星系团巡天

摘要

X射线天文学兴起的50多年来经历了快速的发展，已经成长为天体物理不可或缺的重要部分。本文涉及X射线天文学的两个重要课题:活动星系核(AGN)的X射线研究和X射线星系团巡天。AGN和星系团是宇宙中最有趣的两类河外X射线源，前者代表了极端剧烈的大质量黑洞吸积过程，后者描绘着宇宙的大尺度结构。在绪论中，我们首先简单介绍X射线天文学的发展，与我们工作相关的X射线设备，以及两类重要的X射线源:AGN和星系团(第一节)。然后我们分别介绍AGN与星系团的相关背景知识。第二节我们介绍了AGN，AGN的X射线连续谱，AGN的Fe Kα发射线，及AGN的本征光度指标。第三节我们介绍了星系团，星系团的探测和测质量的方法，以及X射线星系团巡天。我们的工作主要有三个方面，一、是AGN的窄Fe Kα线的研究(第二章)，二、是AGN本征X射线辐射的研究(第三章)，三、是Swift X射线星系团巡天项目中的一些工作(第四五六章)。
　　 为了研究AGN中普遍存在的窄Fe Kα线辐射，我们构建了一个包含89个Seyfert星系的样本，既有Spitzer IRS对[OⅣ]线光度的测量，又有XMM-Newton EPIC的X射线光谱观测。我们通过光谱拟合测量了Fe Kα线光度，然后用[OⅣ]线光度作为AGN本征光度将Fe Kα线光度归一化。我们发现尽管Ⅱ型AGN的Fe Kα线等值宽度更大，光度却比Ⅰ型源低。康普顿薄和康普顿厚的Seyfert2的窄Fe Kα线光度分别比Seyfert1低2.9+0.8-0.6倍和5.6+1.9-1.4倍。这是第一个AGN窄Fe Kα线各向异性的观测证据，与均一的尘埃环模型所预言的铁线各向异性一致，也能为团块化的尘埃环模型提供限制。
　　 AGN的本征X射线辐射来自高温冕区的逆康普顿散射，但冕区的物理和几何结构我们知之甚少，为了解释X射线辐射的光谱和光变，不同模型对本征X射线辐射预言了不同的各向异性。为了研究这种各向异性，我们构建了一个包含178个既有Spitzer IRS测量的[OⅣ]线光度，又有XMM-Newton或Chandra观测的光谱的Seyfert星系样本。我们通过光谱拟合得到2-10keV的吸收改正的X射线幂律谱的光度，类似上一个工作，用[OⅣ]线光度表征AGN的本征光度，对Ⅰ型和康普顿薄的Ⅱ型源做了比较。我们发现Ⅰ型AGN的本征X射线光度比康普顿薄的Ⅱ型AGN高(≥)3倍。这个各向异性表明冕区可能以相对论性速度外流，集束效应使之在轴向看起来比盘向更强。同时它也意味着冕区有可能正是喷流的底部。另外我们指出，AGN的硬X射线辐射用作本征光度指标时需要做改正，这会影响遮蔽的AGN的比例的测量。
　　 Swift X射线星系团巡天是一个正在进行的项目。我们使用Swift卫星搭载的XRT望远镜来搜寻星系团。XRT虽然有效面积小，但背景噪声低，且PSF在整个视场内不变，因而仍然适合于星系团的探测。Tundo et al.[208]已经用XRT对GRB的观测数据做了一个总覆盖约70平方度的巡天，得到一个包含72个延展源的完备样本。我们对这个样本做了两方面扩展，一是扩大天区覆盖，使用XRT积累的所有数据。二是提高探测的灵敏度。针对这个目标，我们开发了一款X射线延展源探测软件“EXSdetect”，采用Voronoi tessellation和Friend-of-friend相结合的算法，能够高效地从X射线图像中探测延展源。这个程序首先应用于Swift X射线星系团巡天，得到一个约300个源的星系团候选者样本。同时这个程序也可以应用于其它望远镜积累的数据和下一代X射线巡天项目。

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摘要

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第一章 绪论

1．1 X射线天文学：AGN与星系团

1．1．1 X射线天文学的50年

1．1．2 主要X射线望远镜

1．1．3 X射线星空：AGN与星系团

1．2 AGN的X射线辐射

1．2．1 AGN简介

1．2．2 本征X射线辐射

1．2．3 X射线的吸收与再辐射

1．2．4 AGN的铁线

1．2．5 AGN的本征光度

1．3 X射线星系团巡天

1．3．1 宇宙的骨架——星系团

1．3．2 星系团巡天探测

1．3．3 星系团的质量

1．3．4 X射线星系团巡天

第二章 AGN窄Fe Kα线的各向异性

2．1 引言

2．2 样本选择和数据处理

2．2．1 样本选择

2．2．2 数据处理

2．2．3 光谱拟合

2．3 铁线性质的分布

2．3．1 线心能量，线宽和等值宽度

2．3．2 窄铁线光度

2．4 讨论

第三章 AGN本征X射线辐射的各向异性

3．1 引言

3．2 样本选择和数据处理

3．2．1 样本选择

3．2．2 数据处理

3．3 X射线本征光度

3．3．1 本征光度的测量

3．3．2 Ⅰ型和Ⅱ型的比较

3．3．3 结果的可靠性

3．4 讨论

3．4．1 已发现的各向异性迹象

3．4．2 外流的冕区

第四章 Swift X射线星系团巡天

4．1 项目简介

4．2 波段的选择

4．3 对SXCS的扩展

4．4 流量计算与天区覆盖

4．5 源计数logN-logS

第五章 X射线延展源探测软件EXSdetect

5．1 开发动机

5．2 基本算法

5．3 构建密度图和背景图

5．4 探测与拆分

5．5 过滤与分类

5．6 分区与测光

5．7 布与使用

第六章 SXCS数值模拟

6．1 引言

6．2 SXCS的模拟

6．3 运行结果

6．4 仪器分辨率的影响

参考文献

附录A EXSdetect Document

A．1 Dependency

A．2 How to Run

A．3 Setting for Chandra

A．4 Classification Threshold

A．5 Results

A．6 Files

A．7 Caveats

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果