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1、 星系中心超大质量黑洞 －探测方法及统计性质 陆由俊(luyj@) 中国科学院国家天文台 2012年11月1日@中国科学技术大学 11/1/12 大质量黑洞 1 摘要 · · · · · · 黑洞的概念及理论基础 天文背景下的黑洞
2、 类星体与大质量黑洞 正常近邻星系中的黑洞质量测量 活动星系核中黑洞质量的测量 黑洞质量与寄主星系性质之间关系的物理 背景 · 黑洞研究展望 11/1/12 大质量黑洞 2 黑洞概念：逃逸速度 · 摆脱一引力场的引 速度 > Vesc 力束缚所需的最低 初始速率 速度 < Vesc 1 2 mVesc2 −
3、 GMm R = 0 Vesc = 2GM R 质量: M 半径: R 地球: Vesc = 11 km/s 太阳: Vesc = 600 km/s 11/1/12 大质量黑洞 3 简单经典的考虑 Rev. John Michell (1783) & Pierre-Simon
4、Laplace (1796) · 光速＝3x105 km/s · 如果一个星体的尺度如此小乃至其逃 逸速度大于光速，将如何? 看不见星体！ Vesc=光速 地球质量天体：R＝0.9cm 太阳质量天体：R＝3km 11/1/12 大质量黑洞 4 “Dark Star”
5、爱因斯坦场方程真空解 · · · · · · 1915: 广义相对论爱因斯坦的引力理论 1916: Schwarzschild 黑洞度规, M 1963: Kerr发现新解－Kerr黑洞, M, a 1967: John Wheeler术语命名 Reissner-‐Nordstrom度规，M, Q Kerr-‐Newman度规, M, a, Q
6、 11/1/12 Albert Einstein 大质量黑洞 Karl Schwarzschild
7、 5 最简单的天体 黑洞“无毛”定理： 黑洞性质由以下三个物理量唯一确定： 质量, 自旋, 电荷。 黑洞温度： Schwarzschild黑洞： T = hc 3 8ðkGM 11/1/12 大质量黑洞 6
8、 Schwarzschild and Kerr黑洞 Schwarzschild metric(史瓦西度规): 2 2 dr 2 1 − 2M / r + r 2 (dè 2 + sin 2 è dö 2 ) 视界 rSch Kerr metric（克尔度规）: = 2GM c 2 奇点 视界 自旋
9、 广义相对论中的黑洞不同于经典牛顿力学下的“Dark Star”： · 光速：速度上限 · 视界：任何进入视界的物体无法逃出，至奇点。 11/1/12 大质量黑洞 7 ds = −(1 − 2M / r)dt + 天文背景下的黑洞 质量分类： – 恒星质量的黑洞 (~10太阳质量): 大质量恒星演化的最终产物 – 中等质量的黑洞 (~103－4太阳质量)? – 大质量
10、黑洞 (~105－9太阳质量) – Micro-‐黑洞，宇宙原初黑洞 11/1/12 大质量黑洞 8 星体 ：压力平衡引力 11/1/12
11、 大质量黑洞 9 From 黑洞：恒星演化产物 · 白矮星 – 钱德拉塞卡质量极限：1.44太阳质量 · 中子星 · 黑洞 金 属 丰 度
12、 恒星质量 Subramanyan Chandrasekhar 与γ爆相携? 11/1/12 大质量黑洞 10 黑洞：恒星演化产物 · 通过伴星运动测X射线星质量
13、 M=rv2/G M > 3倍太阳质量è 黑洞! · 银河系中大约十几个黑洞通过这种方式被 发现 (>p of the iceberg) 11/1/12 大质量黑洞 11 黑洞候选者
14、 伴星的速度和轨道 è 黑洞的质量 11/1/12 大质量黑洞 12 类星体与大质量黑洞 · 谈到大质量黑洞就不得不谈类星体、其发 现历史及其能源机制！ 11/1/12
15、 大质量黑洞 13 类星体的发现历史 1963年Maarten Schmidt等证认出它们实际上 是红移了的氢、氧和其他元素的发射线 Greenstein & Mathews 1963, Nature同一期, for 3C48
16、 z=0.37 11/1/12 大质量黑洞 14 类星体的发现历史 · 射电点源（类似于恒星的光学对应体）被 叫做 “Quasi-‐Stellar Radio Sources”; 华裔 天文学家邱宏义（H.-‐Y. Chiu）将其缩写 为“Quasars”（1964），1970年被ApJ接受； · Sandage (1965)等证认了很多紫外过剩类似 于Quasars的光学天体，但它们的射电较弱。 Sandage把此类天体叫做“
17、blue stellar objects”(BSOs)；稍后该类天体被叫 做“quasi-‐stellar objects”（QSOs）。 在文献中有时并不严格区分这两类天体 11/1/12 大质量黑洞 15 类星体巡天 XMM X-ray survey 2dF 大样本类星体的观测和统计是 理解类星体的本质必经之路。 SDSS ·
18、 · 单个类星体代表着核活动性长期演化的一个 特别时刻。 一个大类星体样本应该包含了处于演化过程 中各个不同时刻的个体，因而可以帮助提取 类星体的形成和演化信息。 能量产生机制 基本问题: 能量是如何产生的? · ～1042-‐1048erg/s (109-‐1015太阳光度) 场星系的典型光度: ～1044erg/s · 小尺度 (短周期光变): ～cδt (太阳系尺度)
19、 大质量黑洞的吸积 · 质量: Fgrav ≥ Frad 11/1/12 GMm p 2 M ≥ ó e L 4ð cr 2 ó e L 4ð Gcm p 大质量黑洞 ⎛ ⎝ ⎞ Eddington limit 17 ≥ r
20、 = 8 ×107 M sun ⎜ L 1046 erg/s ⎟⎠ 活动星系核中的大质量黑洞 · 质能转换效率: L = å Mc 2 , M ≈ 0.2 L 46 Msun/yr å = 0.007, nuclear reaction U = GMm r L ≈ dU dt = GM dm r dt = GMM& r , GM cr GM c 2
21、 ) – Schwarzschild黑洞和Kerr黑洞: 0.057, 0.31 (a=0.998) · 喷流: ～光速, 极深势阱的标志 11/1/12 大质量黑洞 18 ⋅ & & 质量能量转换效率 Bardeen 19
22、70: Efficiency: 0.42 for a=1 11/1/12 大质量黑洞 19 吸积盘理论 吸积盘 粘滞带走角动量 热－黑体辐射 11/1/12 大质量黑洞
23、 20 吸积盘理论 吸积盘 粘滞带走角动量 热－黑体辐射 Pringle 1981, ARAA 11/1/12 大质量黑洞 21 临近星系中心黑洞存在的预期
24、 · 类星体: 遥远星系中心的大质量黑洞吸积过程 (Schmidt 1963; Salpeter 1964; Zel’dolvich & Novikov 1964; Lynden-‐ Bell 1969; Rees 1984). · 遥远星系代表了临近星系的历史(宇宙学原理) −> 临近星系中的类星体遗迹?
25、 (Lynden-‐Bell 1969; Soltan 1982; Yu & Tremaine 2002) · 近邻星系中应该存在大质量黑洞(Korme
26、ndy & Richstone 1995; Magorrian et al. 1998; Gebhardt et al. 2002; Pinkney et al. 2003; Ferrarese & Ford 2005) 11/1/12 大质量黑洞 22 预言：类星体−> 临近星系中心黑洞
27、 · 类星体阶段吸积导致的黑洞质量密度增长: – u=1.3 ×10-‐15erg/cm3, – ρ·,acc=u/(εc2)=2.1×105(0.1/ε) M8/Mpc3 · 场星系的空间数密度: – n= 6×10-‐3h3Mpc-‐3 · 星系中黑洞（类星体遗迹）的平均质量: – ρ·,acc /n=107M8/galaxy 11/1/12 大质量黑洞
28、 23 近邻星系中心存在大质量黑洞 · 星系中心大质量黑洞的存在会影响周围 物质的运动 · 星系中心气体动力学，恒星动力学， 运动学等都可以用来测定黑洞的质量 – 中心天体质量 M · ~ rv2 / G · 运动速度随 r 减小而增高 · 开普勒运动 11/1/12 大质量黑洞 24 大
29、质量黑洞证据：银河中心 The Milky Way Galactic center (Reinhardt Genzel； Andrea Ghez) 11/1/12 2 大质量黑洞 M · = 4 × 10 6 M e 25 M · = rv / G 银河中心恒星运动轨道 利用恒星轨道
30、的精 确测量来测定广义 相对论效应和中心 黑洞的度规 Meyer et al. 2012 11/1/12 大质量黑洞 26 太阳系
31、 11/1/12 大质量黑洞 27 银河系中心黑洞：邵逸夫奖 Reinha
32、rd Genzel in recogniuon of his outstanding contribuuons in demonstraung that the Milky Way contains a supermassive black hole at its centre 11/1/12 大质量黑
33、洞 28 银河系中心黑洞：Crafoord奖 Andrea Ghez Reinhard Genzel “for their observa/ons of the stars orbi/ng the galac/c centre, indica/ng 11/
34、1/12 the presence of a supermassive black hole". 大质量黑洞 29 大质量黑洞存在证据：NGC4258 NGC 4258 M · = (3.9 ± 0.1) × 10 7 M e 11/1/12 大质量黑洞 30
35、 大质量黑洞存在证据：脉泽线 Greene et al. 2010 11/1/12 大质量黑洞 31 大质量黑洞存 在证据：近邻 正常星系中心 · 恒星动力学（准开 普勒势场中的开普 勒旋转） 无碰撞玻尔兹曼方 程的速度一阶矩给
36、 出质量估计 Magorrian et al. 1998 11/1/12 大质量黑洞 32 大质量黑洞存在证据：气体动力学 · 气体动力学（准开 普勒势场中的开普 勒旋转） 利用长缝光谱观测([OIII],[OI], [SII],[NII],Hα) 9 M87: 电离气体盘 Ford et al. 1994 Macchevo
37、 et al. 1997 11/1/12 大质量黑洞 33 M · = (3.2 ± 0.9) × 10 M e 星系中心黑洞质量与星系性质间的相关 Gebhardt et al. 2000 Ferrarese & Merriv 2000 1
38、1/1/12 大质量黑洞 34 星系中心黑洞质量与星系性质间的相关 Tremaine et al. 2002 Ferrarese & Ford 2005
39、 11/1/12 大质量黑洞 35 11/1/12
40、 大质量黑洞 36 M87 (SDSS color scheme) 11/1/1
41、2 大质量黑洞 E1 37 M31 spiral galaxy 11/1/12 大质量黑洞
42、 38 M100 Sbc SAB(s)bc grand design 11/1/12
43、 大质量黑洞 39 星系中心黑洞质量与星系性质间的相关 十年后的关系: Gultekin et al. 2009 不同星系类型之间的差异？ Graham et al. 2011
44、 11/1/12 大质量黑洞 40 星系及其中心大质量黑洞共同演化 11/1/12 大质量黑洞
45、 41 近邻宇宙中的大质量黑洞分布 黑洞质量与星系性质之间的关系 + 星系特征量（如速度弥散或星系光度等） 分布函数 + 黑洞与星系特征量之间关系的内秉弥散 ¤ 近邻宇宙中的黑洞质量分布函数 11/1/12 大质量黑洞 42 近邻宇宙中的黑洞质量分布函数
46、 11/1/12 大质量黑洞 Yu & Lu
47、2008) 43 活动星系核中的大质量黑洞 3C273光学紫外连续谱 Kriss et al. 1999, ApJ 11/1/12
48、 大质量黑洞 44 活动星系核中的黑洞质量测量: Reverberauon mapping ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ 发射线相对于连续谱的 时间延迟 发射线轮廓的变化：
49、 转移函数： ¢ ¢ ¢ 11/1/12 大质量黑洞 45 ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ 活动星系核中的黑洞质量测量: reverberauon mapping 对任意给定的宽线区几何可 以由发射线轮廓对连续谱变 化的响应来得到平均的时间 延迟或时间延迟峰值 不确定性： · 宽线区的几何，球对 称、盘形状 · 宽线区运动是否引力 主导 Horne et al. 2004 11/1/12 大质量黑洞 46 活动星系核中的黑洞质量测量: reverberauon mapping
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