类星体外流的吸收线与发射线研究

摘要

在活动星系核(Active galactic nuclei，AGN)对星系的反馈作用中，外流是最常见的形式。15％～30％的射电宁静类星体紫外光谱中有较大蓝移速度的宽吸收线(Broad absorption Lines，BALs)特征;此外，在类星体(QSO)光谱中，CⅣ、[OⅢ]等高电离发射线普遍呈现出蓝端过剩的不对称谱线轮廓，研究者认为这种蓝端过剩成分即产生于外流气体。数值模拟研究结果表明:AGN的外流是黑洞-星系核球关系（e.g.，MBH-σ*）得以建立的关键因素。近些年来，对近邻AGN的观测也直接证实了AGN驱动的外流可以到达kpc甚至10 kpc尺度。然而由于目前的观测能力所限，只有极个别很邻近的AGN的外流得到了空间分辨的观测。对于绝大部分AGN而言，还不能开展这种直接的、定量的观测。因此，找到一条能大规模地、定量地研究外流气体物理性质的方法亟为重要。
　　在我博士研究生期间，我们尝试从两个方面实现上述目的。一方面，我们在SDSS/BOSS巡天光谱数据库中系统性地寻找HeⅠ*BAL类星体，以便利用HeⅠ*吸收线的测量优势测定外流气体的物理性质;另一方面，我们试图将外流所产生的吸收线和发射线结合起来对外流的性质加以限定。具体如下:
　　(1)数值模拟研究表明，当外流的动能损失率(E)k≥0.05LEdd时才能对星系尺度产生较大影响。简单的量级估算显示，满足以上条件需要气体柱密度达到NH＞1022 cm-2。换言之，柱密度大的低电离宽吸收线(LoBAL)类星体对研究黑洞与寄主星系的共同演化非常重要。目前研究LoBALs的困境在于常见的CⅣ、MgⅡ吸收线在高柱密度下极易饱和，因而无法准确地测量吸收气体的柱密度NH及其他物理性质。为了解决这个问题，我们着眼于前人关注较少但非常有用的HeⅠ*吸收线。HeⅠ*的多重吸收线分布在紫外到近红外波段，且在很高柱密度的条件下都不饱和。这不仅有利于测量吸收离子柱密度，还可以用来诊断视线方向上气体的部分覆盖情况。此外，光致电离模型计算显示，HeⅠ*吸收线产生于气体的氢电离波前附近，所以即使没有探测到HeⅠ*吸收线也可以此限定气体柱密度的上限。我们发展了一套有效探测较弱吸收线的方法，在前人发表的MgⅡBAL类星体样本中首次系统地搜寻了HeⅠ*λ3889 BAL类星体。我们在285个MgⅡBAL类星体中探测到101个HeⅠ*λ3889 BAL类星体，HeI*吸收线出现的比例达到35.4％。此外，我们发现该比例强烈依赖于光谱信噪比，在S/N＞30时HeⅠ*的探测比例高达90％以上。这表明MgⅡLoBAL类星体光谱中普遍存在HeⅠ*吸收线。联合利用HeⅠ*和其他离子吸收线可以有效地限定气体的柱密度NH、电离参数U和密度nH，进而可以确定外流气体与黑洞的距离，并且以此计算出外流气体的质量损失率和动能率，而目前人们只对少数BAL类星体进行过这样的估算。HeⅠ*BAL样本的意义在于它使得较大规模定量分析AGN宽吸收线外流气体成为可能。此外，利用HeⅠ*λλ3889，10830吸收线的波长位置优势，我们在SDSS/BOSS光谱数据库中找到19个z＜0.3的低红移BAL类星体。
　　(2)长期以来，人们对AGN发射线外流和吸收线外流的研究都是分开进行的。尽管之前也有工作注意到BAL类星体和有CIV发射线蓝移的类星体在统计性质上有诸多相似之处，但是一直缺乏此方面的系统研究。在实际应用上，吸收线和发射线在限定气体性质方面有各自的优势。通过吸收线，我们可以精确地测量视线方向上气体的速度、柱密度，但无法限定外流气体的整体性质如外流对电离光源的覆盖比例;发射线反映的是气体的整体性质，可用于估计发射气体的几何和质量等，缺点是所需要考虑的发射区情况更为复杂。因此有必要将吸收线和发射线结合起来研究外流气体。我们在此方面做了一些尝试。我们分别研究了两个典型个例，J1634+2049和J1110+1930。J1634+2049是一个低红移(zem=0.1293)亮红外环星系，发现于我们的低红移HeⅠ*BAL样本。其紫外、光学和近红外光谱上既有明显的HeⅠ*λλ3889，10830和NaⅠ D宽吸收线，也在诸多发射线上表现出明显的蓝移成分。我们用光致电离模型分别分析了吸收线和发射线外流，发现二者的密度和电离参数的范围非常相似。这暗示吸收线和发射线可能由同一外流气体产生。我们通过发射线确定了外流气体的覆盖因子，通过吸收线确定了气体的柱密度和速度，最后估算了外流的动能率和质量损失率。J1110+1930是一个中等红移(zem=2.512)的部分遮蔽类星体。它的特别之处在于，尘埃环将远紫外波段的核连续谱和宽发射线严重消光，使得尘埃环之外的外流所产生的OⅥ、NⅤ、CⅣ等紫外发射线显露出来。此外，光学[OⅢ]线的蓝移也与CⅣ等紫外发射线相同。我们利用发射线的线比并结合光致电离模型较好地限定了外流气体的物理性质。值得注意的是该发射线外流成分的等值宽度非常小，如果没有尘埃环对宽线区云团的遮蔽，外流所产生的发射线将湮没在宽发射线中。因此，我们发现了另一种有效途径，即可以利用尘埃环的部分遮蔽效应来广泛地研究AGN外流。

目录

声明

摘要

表格索引

插图索引

第一章 绪论

1．1 AGN对星系的反馈作用

1．1．1 AGN的反馈形式以及观测事实

1．1．2 AGN的寄主星系性质以及与AGN活动的联系

1．1．3 辐射模式和射电模式

1．1．4 两种反馈模式下AGN吸积的气体供给

1．2 AGN的发射线外流和吸收线外流

1．2．1 AGN宽吸收线外流

1．2．2 AGN发射线外流的统计研究

1．3 我们的工作

第二章 HeI*λ3889 BAL类星体样本研究：HeI*多重吸收线在Mg Ⅱ LoBAL类星体中的普遍性

2．1 引言：为什么研究HeI*吸收线?

2．2 He I*λ3889 BAL类星体样本的编制以及光谱配对法

2．2．1 目前发表的Mg Ⅱ宽吸收线类星体样本

2．2．2 用光谱配对法(pair-matching method)测量类星体Mg Ⅱ宽吸收线

2．2．3 用光谱配对法寻找He I*λ 3889 BAL类星体样本

2．2．4 光谱配对法的可靠性

2．3 He I*λA3889吸收线在MgⅡ LoBAL类星体中的比例

2．3．1 从样本中得到的He I*λ3889 BAL的比例

2．3．2 信噪比还是光度?

2．3．3 He I*λ3889吸收线在Mg Ⅱ BAL中普遍存在的证据支持

2．4 He I*吸收线的物理图像

2．5 He I*吸收线的应用

2．5．1 个例研究：利用He I*吸收线推导吸收气体物理性质

2．5．2 利用He I*λ3889吸收线寻找低红移Mg Ⅱ BAL类星体

2．6 小结

第三章 SDSS J163459．82+204936：亮红外环星系的发射线与吸收线外流研究

3．1 引言：J1634+2049——研究黑洞与星系共同演化的实验室

3．2 多波段数据分析

3．2．1 SDSS J1634+2049测光与光谱观测数据

3．2．2 SDSS J1634+2049的宽波段谱能量分布

3．2．3 SDSS图像分析

3．2．4 光学-近红外光谱分析

3．2．5 中红外光谱分析

3．3 结果与讨论

3．3．1 黑洞质量与吸积率

3．3．2 寄主星系

3．3．3 星系环和伴星系

3．3．4 外流气体的物理性质

3．4 小结

第四章 SDSS J111017．13+193012．5：用尘埃环作为“日冕仪”探测类星体强发射线外流

4．1 引言

4．2 观测数据以及数据分析

4．2．1 光谱和测光观测

4．2．2 被严重红化的宽波段SED

4．2．3 发射线分析

4．3 结果与讨论

4．3．1 黑洞质量与吸积率

4．3．2 发射线外流的物理参数

4．3．3 产生遮蔽的尘埃以及外流的动能率

4．4 小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 后续工作

参考文献

附录

致谢

研究生在读期间发表的学术论文与取得的研究成果