天體物理學(xué) 12星系學(xué)習(xí)資料

第十一章星系

---組成宇宙的基本單元§11.1星系的宇宙學(xué)紅移 §11.2引力透鏡現(xiàn)象 §11.3活動(dòng)星系與活動(dòng)星系核§11.4AGN的超大質(zhì)量黑洞吸積圖像§11.5星系中心的黑洞什么是星系？組成宇宙的基本單位。一般認(rèn)為星系的中心存在超大黑洞。黑洞顯著吸積周圍介質(zhì)、釋放引力能時(shí)，該星系表現(xiàn)為活動(dòng)星系，反之為正常星系。§11.1星系的宇宙學(xué)紅移1912-1920年，V.M.Slipher通過測量旋渦星系譜線的Doppler位移發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)的星系具有譜線紅移，即它們正在遠(yuǎn)離銀河系。

一些星系的距離、CaII的H、K譜線和退行速度

1929年Hubble與Humason發(fā)現(xiàn)由星系譜線紅移得到的星系退行速度V與星系的距離D成正比，稱為哈勃定律

V＝H0×D

其中哈勃常數(shù)

H0＝57-73kms-1Mpc-1

HubbleHumason哈勃定律的意義

哈勃定律反映了宇宙的膨脹

由宇宙膨脹引起的星系的譜線紅移稱為宇宙學(xué)紅移(cosmologicalredshift)。

星系的距離D＝V/H0 如果宇宙的膨脹是均勻的，可以確定： 宇宙的年齡t＝D/V＝1/H0

星系的退行表明在過去它們必定離得很近，宇宙膨脹的起點(diǎn)是什么？利用星系紅移測量星系的距離紅移zV/c目前的距離(Mly)回溯時(shí)間(Myr)0.00.00.00.00.10.095140113361.00.68815648310.00.9842102297541001.02710110019∞1.03009610029§11.2引力透鏡現(xiàn)象

類星體AC114現(xiàn)象的觀察

AC114雙類星體具有完全相同的譜與紅移。

它們實(shí)際上是同一類星體的引力透鏡表現(xiàn)。類星體0957+561

引力透鏡——引力場源對(duì)位于其后的背景天體（如類星體）發(fā)出的電磁輻射所產(chǎn)生的會(huì)聚或多重成像效應(yīng)。當(dāng)引力場源、目標(biāo)源與觀測者位于同一直線上時(shí)，引力透鏡表現(xiàn)為愛因斯坦環(huán)。Einstein十字：引力透鏡引起的四重像

通過研究星系團(tuán)對(duì)背景類星體或星系產(chǎn)生的引力透鏡，可以得到星系團(tuán)內(nèi)的（暗）物質(zhì)分布和宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的信息。星系團(tuán)CL0024及背景星系的引力透鏡多重像星系團(tuán)CL0024中的物質(zhì)分布1.賽弗特（Seyfert）星系

美國天文學(xué)家賽弗特于1943年首先發(fā)現(xiàn)一些旋渦星系具有不尋常的亮核和發(fā)射線，賽弗特星系因此而得名。NGC1566NGC4151的逐次深度曝光像亮核星系§11.3活動(dòng)星系與活動(dòng)星系核具有極亮的星系核，有很強(qiáng)的紅外和射電非熱輻射（~1043-1045

ergs-1）。NGC5728的地面和空間觀測

一些賽弗特星系有很強(qiáng)且寬的H和重元素的發(fā)射線。由發(fā)射線的寬度得到電離氣體的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)104

kms-1.賽弗特星系與正常星系譜線的比較

根據(jù)發(fā)射線寬度的不同，賽弗特星系可以分為I型和Ⅱ型兩類。前者同時(shí)具有很寬的H線和相對(duì)較窄的電離金屬線，后者僅有窄線。相應(yīng)的Doppler運(yùn)動(dòng)速度分別為~104

kms-1（寬線區(qū)）和≤103

kms-1（窄線區(qū)）。不同類型賽弗特星系的差別可能是由于觀測者位置的不同引起。光變時(shí)標(biāo)為幾個(gè)月→致密核3C84的射電變化賽弗特星系的活動(dòng)性可能與星系間的相互作用有關(guān)。

馬卡良315

2.類星體（Quasars）

在20世紀(jì)60年代發(fā)現(xiàn)的射電源中，有些光學(xué)視形態(tài)類似于恒星，無法分解，但光度可達(dá)銀河系的10000倍以上，顯然不屬于恒星，因而被稱為類星射電源，簡稱類星體。光譜中有強(qiáng)而寬的未知發(fā)射線。1963年MaartenSchmidt證認(rèn)出它們實(shí)際上是紅移了的H和其他元素的發(fā)射線。類星體3C273的譜線紅移量達(dá)到16%MaartenSchmidt通常認(rèn)為這種紅移是由宇宙膨脹的多普勒效應(yīng)引起。類星體3C273的紅移表明它的退行速度達(dá)到4.4×104kms-1→距離~660Mpc。目前觀測到的類星體最大紅移達(dá)到6。類星體實(shí)際上是活動(dòng)星系核。3.其余活動(dòng)星系還有：

射電星系

蝎虎（BLLac）天體

等。4.活動(dòng)星系的特征

(1)高光度

X射線光度光學(xué)光度射電光度銀河系111射電星系100-5,00022,000-2×106賽弗特星系300-7×104220-2×106類星體

(3C273)2.5×1062506×106最明亮的河外射電源(2)非熱連續(xù)輻射正常星系： 黑體輻射，極大值在光學(xué)波段，輻射主要來自星系內(nèi)的恒星活動(dòng)星系： 熱輻射（紅外）+非熱輻射，極大值在遠(yuǎn)紅外波段

光學(xué)X射線類星體PKS1127-145(3)快速光變光變時(shí)標(biāo)：幾小時(shí)-1年(4)特殊形態(tài)亮核、噴流、不規(guī)則形態(tài)活動(dòng)星系主要特征的比較

射電星系 賽弗特星系 蝎虎天體 類星體光學(xué)形狀橢圓 旋渦 不明 類星射電形狀噴流與雙瓣核區(qū)有弱輻射核區(qū)有弱輻射噴流與雙瓣連續(xù)譜 非熱輻射+熱輻射發(fā)射線 寬 寬與窄 無（弱） 寬與窄譜線紅移量0.01-0.3 0.003-0.06 0.05-0.4 0.2->4吸收線來源恒星 無 無（？） 前景氣體云5.關(guān)于活動(dòng)星系的其他特點(diǎn)

在所有的星系中活動(dòng)星系所占的比例很小，約2%。星系的距離越遠(yuǎn)，活動(dòng)星系的比例越大。絕大部分活動(dòng)星系是橢圓星系?；顒?dòng)星系的高光度反映出它們的壽命很短，因此不可能獨(dú)立成系，可能是正常星系的某個(gè)演化階段。

§11.4活動(dòng)星系核的理論模型

1.活動(dòng)星系核的統(tǒng)一模型活動(dòng)星系的特征高光度。非熱連續(xù)輻射。快速光變輻射源大小<1pc。特殊形態(tài)（亮核、噴流）。寬發(fā)射線輻射源內(nèi)氣體高速運(yùn)動(dòng)。理論模型星系的活動(dòng)性源于星系的核心區(qū)域（活動(dòng)星系核）超大質(zhì)量（106-1010M⊙）的黑洞，黑洞的物質(zhì)吸積提供了活動(dòng)星系的能源。=10-4

pc(M/109M⊙)~1M⊙

yr-1(L/6×1045ergs-1)(η/0.1)-1黑洞吸積的物質(zhì)來自由于星系核心附近的恒星碰撞和星系間碰撞而剝離出的氣體。為什么是超大質(zhì)量黑洞？

Eddington光度：穩(wěn)定吸積天體的最大光度

LEdd=1.3×1038(M/M⊙)ergs-1

由Lobs≤

LEdd,吸積天體的質(zhì)量

M≥107(Lobs/1045ergs-1)M⊙深入星系核吸積氣體主要來自星系中的星際物質(zhì)，或在黑洞附近被潮汐力瓦解的恒星。

吸積氣體在黑洞周圍形成吸積盤（大小約幾光天），在螺旋接近黑洞的過程中受到加熱，產(chǎn)生巨大的能量。

黑洞在吸積過程中可能在黑洞的轉(zhuǎn)動(dòng)軸方向形成雙極噴流，噴流在遠(yuǎn)離核區(qū)處與星系際物質(zhì)相互作用形成射電瓣。

黑洞吸積盤周圍區(qū)域的結(jié)構(gòu)寬發(fā)射線區(qū)，大小約幾光月，其中電離氣體具有較高的（~104

kms-1）運(yùn)動(dòng)速度；窄發(fā)射線區(qū)，大小約10-104光年，其中電離氣體具有較低的（~103

kms-1）運(yùn)動(dòng)速度。塵埃區(qū)，在寬線區(qū)和窄線區(qū)之間，大小約10-103光年。

在不同方向觀測，活動(dòng)星系核表現(xiàn)出不同的特征

α中

心黑

洞寬發(fā)射線

區(qū)窄發(fā)射線

區(qū)噴

流射電瓣觀測天體~90°不可見不可見可見可見(?)可見(?)II型賽弗特星系或窄線射電星系中等可見可見部分可見可見(?)可見(?)類星體或I型賽弗特星系~0°可見不可見不可見不可見不可見視超光速類星體或蝎虎座BL天體α為觀測者視線與吸積盤自轉(zhuǎn)軸夾角

不同類型活動(dòng)星系的比較11.5星系中的超大質(zhì)量黑洞觀測證據(jù)

觀測證據(jù)：星系核區(qū)附近氣體的動(dòng)力學(xué)特征。

高分辨率觀測

→

核區(qū)大小；運(yùn)動(dòng)

→

核區(qū)質(zhì)量質(zhì)量/空間尺度比

→黑洞？結(jié)論：在活動(dòng)星系和正常星系的核心存在超大質(zhì)量黑洞。室女星系團(tuán)中巨橢圓星系NGC4261中的吸積盤60kpc100pc巨橢圓星系M87的核心區(qū)域中快速旋轉(zhuǎn)的吸積盤噴流核旋轉(zhuǎn)氣體，與噴流方向垂直M~3×109M⊙星系M84核心區(qū)域的氣體運(yùn)動(dòng)

R~26ly

V~400kms-1

M~3×108M⊙NGC4258的水脈澤輻射利用VLBI在漩渦星系NGC4258的核心0.2pc范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)分子云的水脈澤輻射。不同云塊的譜線位移表明它們的運(yùn)動(dòng)遵循Kepler定律。由運(yùn)動(dòng)速度推測在中心可能存在一個(gè)質(zhì)量超過4×107M⊙的黑洞。EnergyfromaBlackHole

XMM-NewtoncapturedX-rayglowofirongasclosetotheeventhorizonoftheblackholeinMCG-6-30-15Theironspectrumhasextremelybroad"spikes,"thebulkofthelightmustemanatefromveryclosetotheblackhole.Theluminosityindicatedbythespectrum,wastoobrighttobepoweredbyaccretionalone,implyingtheenergylostinMCG-6-30-15istransferredtotheinneredgeoftheaccretiondiskTwospectrallinesarepresentat6.4keV:thenarrowbluelinecorrespondstoX-rayscomingfromironthatisfarawayfromtheblackhole,towardstheouterpartsoftheaccretiondisc.ThebroadyellowlineisthenewmysteryfeaturefullyrevealedbyXMM-Newton.3.活動(dòng)星系的演化

類星體的大紅移表明它們的距離很遠(yuǎn)，因此在宇宙早期類星體的數(shù)目較多，而正常星系相對(duì)較少。→星系剛形成時(shí)可能都表現(xiàn)為類星體。對(duì)類星體PG0052+251的觀測發(fā)現(xiàn)它所處的星系十分年輕，反映類星體處于星系演化中早期的、具有較強(qiáng)活動(dòng)性的階段。星系的演化(1)類星體是宇宙演化早期的天體。(2)在類星體、活動(dòng)星系和正常星系的核心都有證據(jù)表明存在超大質(zhì)量的黑洞。(3)從類星體到活動(dòng)星系到正常星系，星系的活動(dòng)性逐漸降低。