射电喷流与中央能源.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,射电喷流与中央能源,蒋栋荣,上海天文台,一,.,喷流的观测研究,河外射电源的喷流是射电天文的主要研究目标之一,喷流的成分，物理参数，速度和定向，辐射机制；,喷流与中央能源：黑洞和吸积盘的关系 产生机制和准直机制，寿命，对称性；,喷流的传递以及与周围介质的相互作用及其对星系演化的影响等。,射电强与射电宁静,AGN,活动星系核有着很多的分类,大多是根据观测特征进行分类的,其物理的起源也是不完全理解的,.,其中最重要的一种分类是射电强和射电宁静,.,这种分类,1),是基于射电噪度,R(radio,-loudness),(,在源坐标系中,5GHz,的射电流量密度与,4400A,光学流量密度的比,).,R10,射电强活动星系核,10%,R 10,射电宁静活动星系核,这种分类的物理意义是不完全清楚的,由于通常在射电强活动星系核中,高分辨率射电观测中观测到射电喷流,其总的射电辐射的强度比射电宁静活动星系核高约,3,个量级,.,但是这二类源的红外,光学,/,紫外连续谱没有明显差异,.,在某种意义上作为是否存在射电喷流或喷流辐射相对于光学辐射强弱的分类,.,随着射电干涉仪灵敏度的提高已经在很多射电弱的,AGN,中检测到致密射电核及射电喷流,.,射电强,射电宁静,耀变体,BL,Lacs,OVVs,喷流观测,射电喷流主要观测设备,:,射电干涉仪,VLA 5GHz VLA-A 0.1,角秒,MERLIN,50mas,VLBI:VLBA,EVN,VLBA+EVN,天文观测中最高的角分辨率,D,干涉仪中最长的基线长度,毫角秒,-,几十微角秒,1.2,大尺度结构,核,(Core),主导,AGN,平谱,-,致密,(VLA,尺度上,),瓣,(Lobe),主导,AGN,陡谱,-,光学薄的同步加速辐射,延展,FRI,与,FRII,复杂形态,FRI,与,FRII,射电星系在,P(178MHz)=5 x 10,25,w/Hz,处分为两类,(,Fanaroff,and Riley 1974),FRI P(178MHz)5x10,25,w/Hz,峰值亮度间隔与源大小之比接近,1,(edge-brightened),有亮的外部热斑,喷流和核的绝对光度通常大于,FRI,，,但是由于瓣和热斑的光度增加使核和喷流远没有在,FRI,中突出。仅约,10%,的源检测到喷流。,磁场平行于喷流，喷流中的亮,knots,的磁场垂直于喷流。,Cyg,A VLA 4885MHz map,Cyg,A,lobe,core,hotspots,jet,VLA image,VLBI image,22 GHz,NGC6251,射电图象,黑洞并合,NGC326,X,形状的星系占总的星系的,7%,射电图（,AT,）,+,HST,二个互作用星系图象,黑洞并合的证据,并合使喷流的轴发生了约,90,度的变化,3C75,正在并合的,系统？,VLA,图,光学上二个核,射电四条喷流,3C75S,3C75N,Restarted activity,(Lara,etal,.1999,A&A,348,704),外部,Lobe,的谱年龄,3.510,6,年,2.310,6,年,光学观测,可能互作用,1.3 pc,尺度的喷流,视超光速运动,VLBI,观测已经发现在相当数量的平谱射电源喷流中的子源存在视超光速运动,.,多个历元的,VLBI,观测,可以测量喷流中一个子源,(component),相对于核,(core),运动的角速度,称自行,(,mas,/yr),宇宙学距离,(,自行距离,D,M,=(1+z)D,a,),视横向运动速度,速度大小依赖于所采用的宇宙学模型参数,(H,0,q,0,),视超光速运动,3C279,类星体,(z=0.536),Kellermann,et al,2003,内部喷流的弯曲,EGRET,源的,VLBI,观测,Jostad,etal,.(2001,ApJS,134,181,）,对,42,个,Gamma,Blarza,1993-1997,多波段多历元观测,33,个源有视超光速运动。视速度分布高于其它强致密射电源中视速度的平均速度,VLBI,核光度与,Gamma,光度相关,视超光速运动速度与视,Gamma,光度的相关强于与射电核光度的相关,EGRET,源是高度,beamed,的活动星系核,1156+296 Helical jet(,Hong,Jiang,etal,.AA,2004,417,887),MERLIN,5 GHz,MERLIN,1.6GHz,VLBA,1.6GHz,Global,5 GHz,NGC4258 H,2,O maser VLBI 3.5x10,7,M,中央黑洞,年青的射电源,VLBI,观测发现存在,致密陡谱源（,CSS,，源大,15kpc,）,GPS,（,GHz Peaked spectrum,）,GPS,源中有相当高比例的源为致密对称双源,(CSO,源大小,1kpc),这些源的,turn-over,频率与源大小存在反相关,致密对称源（,CSOs,）,VLBI,尺度上发现一批致密对称双源,通过,VLBI,自行测量表明结构分离速度,0.1-0.4C,，相应的运动学年龄,10,2,10,4,年。,谱年龄估算与运动学年龄相符合,高的,HI,吸收检测率,某些源有高的尘埃含量，寄主星系有,10,8,年前,merger,证据,年轻的射电活动源,与大对称双源的演化关系？,1.4,光学喷流,HST,分辨率,0.1,角秒 与射电,VLA,相当,至今 发现,26,个活动星系核光学喷流,M87,，,3C264 FRI,射电星系,3C273,射电强类星体,PKS 0521-365,BLLac,Obj,.-,Seyfert,1,3C371 OVV-Radio BL Lac,Obj,主要结果,1.,光学喷流结构与射电,kpc,喷流结构通常有很好的对应关系,2.,通常认为是同步加速辐射,3.,M87,中已观测到 光学喷流的视超光速运动,4.,强,beamed,源,5.,可能需要加速机制？,M87 FR1 radio galaxy,射电,VLBI,和光学,HST,观测-视超光速运动,PKS 0521,365,1.5 X-ray,喷流,至今已观测到,37,个射电源的,X,射线喷流,(Harris,2003,ASP conference,Vol,XXX,).,基本解释,除了热斑以外,X,射线喷流全是单边的,-,不管什么辐射机制,需要相对论,Beam,效应,.,FRI:,同步加速辐射,FRII:SSC,宇宙微波背景辐射的,IC,热斑辐射,:SSC,要求有些喷流在,Kpc,及更远的距离上仍然是相对论性的,.,（,Lorentz,factor 5-10),喷流中的分量的,X,波段同步加速辐射要求辐射电子的,e,10,7,同步加速辐射电子的辐射寿命仅几年,需要电子加速区,(,激波区,),Centaurus,A,Red Radio,Blue X-ray,4000,光年喷流,喷流与星系气体,碰撞产生激波,产生高能粒子发射,X,射线,PKS0637-752,Radio 8.6GHz,ATCA,Chandra,X ray,1.6,若干主要的结果及解释,1,),经典双源的,lobes,对称地分布在核的二边,lobes,的巨大能量是,AGN,活动性的信标之一。,谱指数，高亮温度，偏振相对论电子的同步加速发射,双向喷流模型是由于经典射电源的总的对称性所推动的。,2),大、小尺度上检测到喷流并准直，星系核向,lobes,传递能量的证据。,3),喷流常呈不对称性，,VLBI,尺度上的喷流几乎都是单边的，并发现射电喷流中的视超光速运动,(SLM),，推动了相对论性喷流模型的发展,。,4),物质从环绕黑洞的相对论性势井中的逃逸速度近似光速,预期从黑洞环境中抛射的物质是在相对论性速度上运动的,.,5),从一个自旋的超重黑洞喷出的物质是在很小的尺度上准直的,并可以在很长的时间中保持其准直性。,VLBI,喷流是在小于,0.1 pc,上形成和准直的,在许多射电源中,pc,尺度和,kpc,尺度的喷流保持很好的准直。,6).AGN,核区域物质的相对论性团块运动产生的,beam,效应至少在射电强的,AGN,中是重要的,因此它们的外貌和分类必定高度取决于源与观测者的相对定向,.,7).,在射电强的,AGN,中,可以预期从射电到高能辐射都受到相对论性喷流的,beam,效应的影响,.,相对论性喷流模型,（团块运动速度,，,Lorentz,因子,，视角,）,多普勒增亮因子,频率,0,=,1,时间,dt,0,=dt,1,/,谱强度,I,0,(,0,)=I,1,(,1,),3,=I,1,(,0,),(3+,),横向运动,双向喷流对比度 （,p=3+,or p=2+),喷流弯曲,相对论性喷流模型可以解释,喷流子源的,SLM,运动,单边喷流及弯曲,高亮温度,高变化性等现象,相对论性喷流模型,torus,的遮挡效应为活动星系核的统一模型提供了依据。,非均匀喷流模型,(Konigle,1981,ApJ,243,700),视角,Opening angle,速度,(),电子密度,磁场,VLBI,观测到的,core,大小相应于光学厚的喷流在天空平面的投影,Core,的流量密度,n=2,m=1,时,理论上 利用,app,和 可以确定喷流团块速度及视角。,实际上的估算是较困难的。,有几种模型依赖的方法,均匀球的,SSC,模型,ssc,能均分,equi,非均匀喷流的,SSC,模型,jet,这些方法各存在若干问题，所以只能在一定程度上描述相对论性增亮的程度，定量上可能有很大的误差。,核主导参数,R,c,假定射电源的发射在,VLA,图像中核,(core),区域的发射是相对论性喷流增亮的,而延展发射几乎是各向同性的,通常将在源坐标系中,5GHz,上这两个发射的比定义为核主导参数,R,c,.,它反映了核辐射相对于延展辐射的主导程度,存在相对论性运动时,(core,有,增亮时,),P=3+,球分量,P=2+,连续喷流,源相对于观测者定向的指针,(,如果喷流团块运动的,Lorentz,因子近似相同的话,).,二,disk-jet connection,各种相关关系,-,各种物理过程之间的联系,吸积盘辐射,-,热辐射,谱线辐射,-,盘辐射的电离光子被发射线云吸收后的再辐射,射电喷流,-,相对论性电子的同步加速辐射，提取吸积盘的能量或黑洞自旋能量,高能辐射,低频光子逆康普顿散射,同步加速辐射的尾部,极高温气体的热辐射,射电与光学连续谱辐射,研究的困难,1),射电强活动星系核的射电辐射存在着相对论,beam,效应的,Doppler,增亮。,2),光学连续谱观测的分辨率太低,通常观测到的辐射中包括了核及寄主星系的贡献,.,3,）,disk辐射存在几何学效应以及,torus,的遮挡问题，加上对射电强的活动星系核,其光学辐射中可能包括了相对论性喷流,(,被,Doppler,增亮的,),辐射的贡献,4),光度光度相关可能由于对光度距离的共同依赖关系而产生的伪相关,射电与光学连续谱相关,陡谱射电类星体样本,喷流轴接近天空平面,避免相对论性喷流的影响,.,发现射电总流量与光学流量相关,(,光度相关,).,(,Serjeant,et al,MNRAS,1998,294,494),HST FRI,光学致密核与射电核辐射相关（,Chiaberge,et al.1999,，,AA,，,349,，,77,）,光学核同步加速辐射,FRI&FRII光学核光度与核主导参数相关,（,Kharb,et al.,2004,A&A,425,，,825,）,光学核辐射,beamed,同步加速辐射,对,FRI,及窄线,FRII,吸积盘的辐射不重要,射电与发射线辐射相关,谱线辐射没有相对论性增亮的问题,直接联系到中央辐射源的电离光度,问题：,窄线：喷流与窄线云的互作用。,宽线：,disk-like,几何学可能存小的定向效应,射电光度与光学窄线光度相关,(,Xu,etal,1999,AJ,118,1169,),射电与窄线光度相关,(,Willott,et al.,MNRAS,1999,，,309,，,1017),7C,红移巡天（,151MHz,）射电星系和陡谱类星体,3CR,样本。,(,Celotti,et al.,MNRAS,1997,286,415):,利用统计得到的各种宽线的相对比值模型,将观测到的宽线加权相加估算宽发射线光度,.,射电延展辐射与宽线光度相关,Cao&Jiang(MNRAS,2001,320,347),利用,VLA,的观测得到延展辐射,(,没有,Doppler,增亮的射电辐射,),与宽线光度统计研究发现很好的相关,.,宽线光度的估算,Celotti,et al.,的方法,1Jy,s4,s5,样本,谱线辐射与,VLA,核辐射,喷流功率,活动星系核的喷流从亚,pc,尺度到,Mpc,尺度有着相干的结果，人们可以在不同的空间尺度上研究喷流的基本参数，并给出类似的结果。,如可以用,FRII,射电星系中喷流的大的延展的,Lobe,来估算喷流的功率。利用同步加速辐射理论或与热的,X,射线发射气体的互作用估算最小能量除以源的寿命（谱年龄等）。,射电核几乎与外部条件无关，如果我们可以估算喷流的速度及物理参数，人们估算喷流的运动光度。,理论上喷流的功率的估算是较复杂的问题,a,）对,FRII,延展射电源,jet,时间平均功率,Q,int,热斑内能,(,包括粒子和磁场,),Q,adv,热斑动能,Q,exp,热斑的膨胀能量,L,热斑辐射能量,Q,lobes,传送给,Lobes,的能量,大多数,FRII,射电源的同步加速辐射仅是喷流团块运动功率的一小部分。大部分储存在,Lobe,中及由于源膨胀对环境作功而损失。,由于同步加速辐射损耗及宇宙微波背景的逆康普顿散射损耗，同步加速辐射的高频谱将变陡，利用观测到的射电谱形状拟合可以发现谱发生变化的频率（,break frequency).,用最小能量的假定（发射一个给定的同步加速光度的相对论性电子和磁场的总能量最小 ）近似相应于粒子与磁场能均分假定。估算磁场,谱年龄,（,Parma et al,1999,，,A&A,，,344,，,7,）,谱年龄,br,break frequency in GHz,B,磁场,in G,B,CMB,3.2(1+z),2,G,微波背景辐射等效磁场,大多数延展源的谱年零估算在,10,6,-10,8,年左右,.,b),直接估算喷流团块的运动光度,利用,VLBI,观测结果（,core,角大小，流量）及,X,射线观测，估算,，在某些假定条件下再估算团块,Lorentz,因子,共动坐标系中的电子密度,f1,正负电子对 ,min,=1,等离子体 ,min,=100,（,Celotti,et al.MNRAS,1993,264,228,）,Hirotani,2004,给出了一个类似的公式,正电荷粒子的平均,Lorentz,因子,电子的平均,Lorentz,因子,正电荷的质量,喷流功率与窄线光度（方法,a),Rawlings&Saunders,(Nature,1991,349,138),39,个,z0.5 FRII,射电星系样本,.,能均分方法估算,E,射电,Lobe,的谱年龄及其他估算年龄方法,-T,发现喷流功率与窄发射线光度有很好的线性相关关系,.,T,源寿命,=0.5,(,Willott,et al.,MNRAS,1999,，,309,，,1017)(,方法,a),定义：喷流的时间平均功率为由喷流从中央能源传送的总能量除以源的寿命,由产生所要求的同步加速辐射所需的内能，源寿命，及转换效率，可以估算喷流的平均功率。,窄线光度转换为电离光度。,Punsly,(astroph0503267),在假定,Lobe,中粒子占主导条件下（基于,X,射线观测）给出估算喷流运动光度的公式,结果表明与,Willott,等人给出的结果符合在,2,因子左右。,喷流运动光度与窄线光度（方法,b),Celotti,et al.1993,MNRAS,，,264,，,228,X,射线光度与光学发射线光度相关,Falck,etal,(astroph0409125,）,认为活动星系核可分为二大类,Disk,主导的,AGN,吸积率大于临界吸积率,喷流主导的,AGN,吸积率小于临界吸积率,对喷流主导的源,如果认为喷流来自光学厚的同步加速辐射，,X,射线来自光学簿的同步加速辐射,黑洞质量，光学厚射电核辐射，光学薄,X,射线辐射形成一个基本平面,射电辐射与中央黑洞质量的关系,一个自然的问题：,射电辐射的强弱是否联系到中央黑洞质量的大小,射电辐射是否联系到吸积率,FBQS,类星体（,Lacy et al.2001,，,ApJ,551,，,L17,）,发现射电光度与黑洞质量及吸积率的相关,对,L/L,Edd,0.1,在低吸积率上相关变弱,Ho,2001,ApJ,564,120,总射电辐射,射电核辐射,Snellen,et al,2003,MNRAS,，,342,，,889,射电辐射与中央黑洞质量,(SDSS)(,McLure&Javis,2004,),经,Kendall,测试，作者认为黑洞质量与射电光度及射电噪度（,R,）都存在相关。,但是没有紧密的相关，在一个给定的黑洞质量上，射电光度可以覆盖好几个量级。,黑洞质量，吸积率，定向，寄主星系的性质，及成团环境都难以解释射电强及射电宁静。,黑洞自旋及演化效应可能必须考虑,Wang et al.,2004,ApJ,615,L9,利用,Celotti,et al,（,1997,）方法估算,35,个,Blazars,喷流的运动光度，发现喷流运动光度与,disk,光度相关，并发现如包括黑洞质量作为第二个参数相关进一步改善。,三,.,喷流加速问题,辐射压加速,吸积盘磁场加速,转动黑洞磁场加速,辐射压加速喷流模型,吸积盘内区的辐射压很大,吸积盘表面的部分物质在吸积盘辐射压作用下离开吸积盘,.,当吸积率很大时,吸积盘内区的辐射压会使盘变厚,形成几何厚的盘,在盘的轴向形成漏斗状通道,由于在通道内辐射的净流量有向内及向外的分量，所以物质被准直和加速,.,加速区域大约在,100R,s,以内，这种加速机制可使喷流团块速度小于,0.8c.,如果喷流物质是正负电子对，团块的,Lorentz,因子可能达到,3,4,。喷流的半张角大于,10,度,(Beam and Jet in Astrophysics).,吸积盘磁场加速喷流,吸积盘中得物质环绕中央黑洞转动,运动速度接近,Kepler,速度,由于磁冻结效应,吸积盘上的有序磁场会随吸积物质绕黑洞转动,盘表面的气体离开吸积盘沿磁力线加速运动,.,喷流的动能来自吸积物质环绕黑洞转动的动能,需要有开放的有序磁场,.,磁场与吸积盘面夹角小于,60,度时,喷流才能加速,转动黑洞磁场加速喷流,喷流的动能来自快速自转的黑洞动能,需要带电的转动黑洞产生磁场,转动黑洞的磁场只能有吸积盘中的电流来维持,.,Junor,et al.Nature,1999,401,891,中央黑洞质量,3*10,9,太阳质量,R,s,0.0003pc,喷流的强准直发生在离,core,30-100R,s,处,并继续到,1000R,s,处,作者解释,喷流起源于,disk,的外流,加速机制是,MHD,模型,二种磁场加速喷流的比较,(,Livio,et al.,ApJ,1999,512,100),黑洞半径R,h,黑洞自旋角速度,h,极向磁场,(,poloidal)B,ph,由,BZ,过程可以提取能量的最大速率,(,光度,),黑洞无量纲自转参数,吸积盘半径,R,d,(,发射一半吸积光度的半径,几个,R,h,),R,d,处吸积盘的角速度,h,吸积盘表面磁场极向分量,(,poloidal)B,pd,最大的吸积盘加速喷流的功率,取近似,(,盘作开普勒运动,),由,BZ,过程提取的喷流功率小于或等于吸积盘磁场加速喷流的功率,除非黑洞磁场大大大于吸积盘磁场,.,作者认为产生黑洞磁场的电流一定在吸积盘中,;,与吸积盘中的物质相比较黑洞是较差的导体,.,Cao,2002,MNRAS,332,999,通常从,disk,提取的功率大于从转动黑洞提取的功率。,不同的磁场产生机制得到,L,jet,/L,acc,与吸积率不同的依赖关系,小结,简单的双向相对论性喷流模型可以解释绝大部分观测到的活动星系核的喷流形态和运动学特征,.,射电强活动星系核的喷流在,PC,尺度上是高度相对论性的,许多活动星系核的喷流在,Kpc,尺度上还是亚相对论性的,尽管活动星系核喷流的观测研究取得了很大的进展,但是还不能完全回答,:,喷流物质的主要成分是正负电子对还是等离子体,?,喷流中的物理参数,难以准确地确定相对论性喷流相对于观测者地定向及速度,喷流形成和加速机制研究需要更高分辨率的,VLBI,观测,.,至今仅,M87,和银河中心的观测可提供对模型有一定意义的约束,.,在非均匀喷流模型中,同步加速的光学深度将限制更精细结构的观测,需要更高频率更高灵敏度的,VLBI,提供对喷流形成和加速机制的约束,观测上活动星系核的射电喷流辐射与吸积盘的辐射有着直接的联系,统计研究表明喷流的辐射与中央黑洞质量及吸积率存在着一定程度的相关性,黑洞自旋的影响还难以观测的统计进行研究。演化效应的可能贡献还需要研究。,射电强与射电宁静活动星系核的物理差别至今还没有很好的物理解释,.,喷流形成机制的研究可以解释若干观测结果，但是还难以给出肯定的结论,谢 谢,