深场中的高红移星系和活动星系

摘要

1999年发射升空的Chandra以其无与伦比的分辨率和低背景完成了大量的科学价值显著的深场观测．我的博士论文研究工作从系统分析Chandra深场数据开始，并对Chandra南天深场中两个特殊的具有相对论外流的高红移类星体进行了细致研究．由于ChandraX射线望远镜杰出的性能，这些深场的数据不仅对研究类星体和活动星系至关重要，同时也提供了研究高红移星系的崭新的技术手段．近年来人们通过窄波段测光的方法寻找到大量的高红移莱曼α发射线(LAE)星系，这些高红移LAE星系对我们了解高红移宇宙的性质以及早期宇宙中的星系形成与演化具有不可替代的作用．我们利用Chandra深场的X射线观测数据系统研究了高红移LAE星系的X射线观测性质，分析了LAE星系中的活动星系核(AGN)的贡献，从X射线数据获得了这些星系中恒星形成率的上限，并限定了Lyα在星系中的逃逸几率．随后我们将研究视野拓展到高红移LAE星系的光学观测与分析，包括光谱证认，光度函数，Lyα线等值宽度分布，成团性等方面，
　　 在第一章，我简单介绍了X射线天文学的发展以及ChandraX射线深场，以及宇宙的恒星形成历史和搜寻高红移恒星形成星系的方法。
　　 在第二章，我们给出了LALACetus天区基于ChandraX射线卫星174千秒的曝光数据的X射线源星表，这里我们介绍了如何 一步步处理Chandra成像观测并得到最终星表和分析的结果，并在该天区发展使用了一种分析X射线背景的新方法．
　　 Chandra南天深场具有累计4Ms的有效曝光时间，是人类所获得的最深的X射线观测，我们在第三章中处理分析了Chandra对CDF-S的观测数据．之前的研究使用CDF-S最早的1Ms的观测数据探测到了两个具有相对性外流特征的高红移类星体．我们对随后的1MsChandra数据分析进一步验证了之前的观测结果，这种后续重复观测的验证对于天文学中发现的罕见观测特征的研究不可缺少（从大量天文数据中探测到纯粹的高显著水平的背景噪声涨落的可能性往往不可忽略），从而彻底排除了这些观测特征来源于背景噪声的可能性，我们的分析还表明其中一个类星体的外流可能存在外流速度的减弱或者电离态的变化．
　　 第四章，我们转而研究星系的X射线辐射特征，我们的星系样本是窄波段巡天找到的红移4.5的莱曼α发射线星系．我们发现除去一个源有强烈的X射线辐射，而且已被光谱证认为红移4.48的一型类星体，其它的源都没有X射线辐射，即使用叠加X射线光子的方法也没有探测到信号．我们得到红移4.5的莱曼α发射线星系的X射线辐射的平均(3σ)上限，为(L0.5-2κeV)＜2.4.×1042ergs-1.分析已有X射线探测的红移z＞2的莱曼α发射线星系，我们发现它们都是AGN，但Lyα等值宽度都小于200A.具体分析1型AGN模版和典型2型AGN，我们发现样本里隐藏的AGN比例会非常小，而且大都是在小等值宽度的子样本里．
　　 第五章里，我们延续了第四章的方法，对CDF-S天区所有的莱曼α发射线星系样本的X射线性质进行分析，包括红移Z～0.3，1.0，2.1,3.1,3.2,4.5,5.7和6.5的莱曼α发射线星系样本，我们发现仅红移0.3处有X射线探测，对应X射线辐射是来自于恒星形成过程，更高红移处，只能得到X射线辐射的上限．我们假定此类星系的X射线辐射都是来自于恒星形成过程，因为X射线对星系里的尘埃不敏感，故而由X射线得到的恒星形成率和由Lya得到的恒星形成率之比可以用来限制Lyα光子在星系里的逃逸比例，我们的结果和用其它方法得到的一致，我们发现，红移2-3处，Lyα光子在星系里的逃逸比例fescLyα＞14％（置信度84%）．我们的数据在99.87%的置信度上排除了fescLyα＜5.7%．
　　 接下来我们转移到莱曼α星系的光学性质，第六到八章里，我们基于红移4.5的莱曼α星系样本的光谱证认观测，分别讨论了莱曼α光度函数，莱曼α等值宽度分布，以及莱曼α星系的成团性．在第六章光度函数的分析里，我们综合了所有红移4.5处的莱曼α星系的光度函数，并和其它红移处的光度函数进行比较．我们发现莱曼α星系的光度函数存在演化，而且积分莱曼α星系的光度函数所得到的莱曼α光子的密度在整个宇宙学阶段同UV波段选的恒星形成星系一致，意味着宇宙尺度上莱曼α光子逃逸的比例是恒定的，第七章等值宽度分布里，我们用波段比代替直接计算等值宽度，发展出蒙特卡罗方法对等值宽度和线光度的依赖关系进行比较分析，发现等值宽度遵从指数分布且不依赖于线的强度，我们的蒙特卡罗方法有助于对未来窄波段巡天的设计，第八章，我们分析了光谱证认后的星系的成团性，肯定了以前仅基于测光选样本的成团性的结论．我们发现莱曼α光度大的子样本并没有表现出大的成团性，这与以前的结论不同．

目录

声明

摘要

表格

插图

主要符号对照表

第一章 绪论

1．1 X射线下的宇宙

1．2 星系X-射线辐射机制

1．3 Chandra卫星的X-射线深场

1．4 宇宙的恒星形成历史

1．5 巡天寻找高红移恒星形成星系的方法

第二章 Chandra X射线望远镜174千秒曝光深度的LALA-Cetus天区

2．1 LALA介绍

2．2 数据特征

2．3 源探测过程

2．4 X-ray源列表

2．5 log N—log S

2．5．1 信噪比(S／N)判据

2．5．2 Sky Coverage

2．5．3 logN VS logS

2．6 用叠加X射线光谱的方法分辨X射线背景

2．7 光学证认

2．8 总结

第三章 Chandra南天深场两个相对论性外流的类星体

3．1 引言

3．2 数据和光谱拟和(基于2000和2007年数据)

3．3 基于2000和2007年数据的讨论

3．3．1 外流的性质

3．3．2 相对论性外流为什么如此少?

3．3．3 和BAL外流或者喷流的联系

3．4 最新2兆秒(2010年数据)观测

3．4．1 连续谱的减弱

第四章 红移4．5的莱曼发射线星系的X-射线特征

4．1 引言

4．2 光学和X射线数据

4．3 X射线成像结果

4．3．1 个源的X射线探测

4．3．2 叠加分析

4．4 讨论

4．4．1 类星体对莱曼α发射线星系的贡献

4．4．2 来自X射线的恒星形成率和菜曼α光子逃逸比例

4．4．3 高红移恒星形成星系中弱AGN的存在证据?

4．5 总结

第五章 用X射线限制菜曼α光子的逃逸比率

5．1 引言

5．2 光学和X射线数据

5．3 菜曼α发射线星系的x射线独立和叠加探测

5．3．1 CDFS中的X射线独立探测

5．3．2 X射线叠加分析

5．4 结果和讨论

5．4．1 SFR-X射线光度关系

5．4．2用x射线限制fLαyesc

5．4．3 4兆秒X射线天区的fEscLyα

5．4．4 来自x射线的fEscLyα和来自UV／光学的fEscLyα的对比

5．4．5 来自SFR-Lx理论模拟的提示

5．5 总结

第六章 红移4．5的莱曼α发射线星系的光学光度函数

6．1 引言

6．2 测光和光谱观测

6．2．1 窄波段测光观测和样本选择

6．2．2 光谱观测

6．3 光谱观测结果

6．3．1 发射线的证认

6．3．2 光谱定标

6．3．3 叠加谱

6．4 讨论

6．4．1 AGN的比例和未遮蔽恒星形成率

6．4．2 第一代恒星(Pop III恒星)

6．4．3 Lya光度函数

6．4．4 红移4．5处统一的莱曼α光度函数

6．4．5 莱曼α光度函数和莱曼α系统逃逸比率的演化

6．5 总结

第七章 红移4．5处莱曼α星系的Lyα线等值宽度分布

7．1 引言

7．2 测光数据和光谱数据

7．3 结论

7．3．1 观测到的Lyα线等值宽度的分布

7．3．2 蒙特卡罗给出的本征Lyα线等值宽度的分布

7．4 讨论

7．4．1 Lyα线等值宽度依赖于线光度吗?

7．4．2 UV光度函数

7．4．3 对窄波段测光观测的启示

7．5 总结

第八章 红移4．5处莱曼α星系的成团性分布

8．1 引言

8．2 测光数据和光谱数据

8．3 红移4．5处莱曼α发射线星系的成团性

8．3．1 星系数密度

8．3．2 角相关函数和两点相关函数

8．3．3 和暗物质晕的联系

8．4 总结

第九章 总结和展望

9．1 总结

9．2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果