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天文学家发现活动星系核对的新证据
2012-07-19 | 编辑: | 【】【打印】【关闭

近日一个由匈牙利、荷兰和中国科研人员组成的国际研究小组在一颗名为SDSS J1425+3231的星系中发现存在活动星系核对的新观测证据,这一研究成果已经被英国皇家天文学会月刊(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)接收,预印本刊登在 http://adsabs.harvard.edu/abs/2012arXiv1206.2167F

星系是构成宇宙的基本元素,太阳系所在的银河系只不过是浩瀚宇宙的沧海一粟。星系中包含数十亿甚至百亿、千亿颗恒星、大量的星际气体以及更多的看不到的“暗物质”(暗物质不发射电磁辐射,无法被常规观测手段探测到,只有在暗物质相互并和过程中才激发辐射从而被探知)。大型星系的中央寄居着一颗超大黑洞,质量从上百万到数十亿倍太阳不等。星系在宇宙中并非孤立地生存,当两个星系距离相当近时,它们之间也会发生碰撞。星系碰撞的极端后果是两个星系合并成一个新的更大的星系,当然这一过程可能会经历数百万年甚至更长。按照目前流行的星系形成理论,大质量星系是从小质量星系逐步合并形成的,星系碰撞在早期宇宙中更加频繁。星系并合对于大质量星系的形成乃至宇宙的演化都非常重要。在星系并合晚期,两个星系已经合二为一,但是星系中心的两个超大黑洞还会在几十光年距离上徘徊较长时间,双黑洞被认为是探测引力波辐射的目标,对于验证广义相对论和理解基本物理规律非常关键。并合的星系对由于距离很近,不容易被清楚地区分,尤其是当两个星系彼此距离不到一万光年时,光学望远镜的分辨率已经无法将两个星系分开,这时候需要采用间接的方法来证认和研究星系并合,比如下面将要讲述的星系光谱中的双峰发射线。目前已经证实的活动星系核对约有20个,远远无法满足研究的需要,增加样本数目是开展星系演化的必要前提。

在星系并合过程中,大量的气体向各自星系核心以及星系之间聚集,星系自身的活动性被激发起来,在短时间内产生大量的恒星(被称为“星暴”活动),位于星系核心的黑洞也变得活跃起来。活跃星系的核心区域被称为活动星系核,是宇宙中最高能的一类天体,主导了整个星系的辐射能量。活动星系核巨大的能源来自星系中央超大质量黑洞的吸积过程,气体在落向吸积盘的过程中引力势能转化为辐射能量释放出来。黑洞一方面通过吸积周围气体物质增加自身的质量,另一方面,一部分被黑洞吸积的物质以喷流的形式被抛射出去。【图1】展示了活动星系核的一个示意图,落向黑洞的气体物质构成了一个吸积盘围绕黑洞旋转,在垂直于吸积盘的方向上,从黑洞喷射出双向准直外流。这些由相对论性粒子组成的喷流的流速往往能够接近光速,射电干涉成像揭示了星系核心的致密喷流图像。星系中央靠近黑洞的气体在吸积盘的高温照射下完全被电离。黑洞附近的电离气体云团围绕黑洞作高速旋转,从这些云团发射出的谱线由于多普勒效应展示出每秒数千公里的宽度,而距离黑洞较远的电离气体云团发射出宽度为每秒数百公里的窄发射线。氧原子的发射线在活动星系核很常见,氧原子被紫外光子电离成为[O III]离子的过程中发射出波长分别为495.9纳米和500.7纳米的窄发射线,这两条谱线经常被用作识别活动星系核的特征谱线。

图1:活动星系核的一个示意图。图中黄色圆盘结构为围绕黑洞旋转的吸积盘,它为提供黑洞燃料。吸积盘附近的电离气体云团(黑点小圆点)发射出宽发射线,谱线宽度达到每秒数千公里。距离黑洞和吸积盘较远的气体云团(灰色大圆点)发射出宽度为每秒数百公里的窄发射线。垂直于吸积盘的两个带状结构是来自黑洞的双边喷流,经常在射电波段被观测到。(图片来源:C.M.Urry & P.Padovani, 1995, PASP, 107, 803)

并合的活动星系核对通过引力作用被束缚在一起,围绕着一个共同的引力中心相互绕转。与各自活动星系核紧密联系的气体云团在视线方向上的速度存在差异,导致两个活动星系核的窄发射线表现出不同程度的多普勒偏移。这样的活动星系核对的光谱存在一个明显的观测特征:发射线普遍有两个峰值,每一个发射线成份分别来自于两个活动星系核,两个谱线峰值的间距反映了活动星系核对作相互绕转运动在视线方向上的速度差。双峰发射线特征为人们从大样本星系巡天的光谱数据中寻找活动星系核对提供了一个方法。但近几年的研究发现双峰发射线并不是证认活动星系核对的一个非常有效的方法,换句话说,双峰线型并不是唯一地由活动星系核对产生的,很多其它的物理机制也能产生双峰线型,粗略估计认为不到1%的双峰发射线星系真正包含活动星系核对。

2011年中国南京的几位研究人员从斯隆光学巡天数据库(Sloan Digital Sky Survey)中发现了一颗名为SDSS J142507.32+323137.4(J1425+3231)的星系具有双峰氧离子发射线([O III] λ4959, λ5007)。这是一颗宇宙学红移为0.478的类星体(活动星系核的一个子类),它的光学光谱还发现氢离子的Hβ发射线也存在双峰结构,作者研究认为这颗星系可能是一对活动星系核,其中较大的星系的质量相当于1亿个太阳,较小的星系相当于几百万倍太阳质量(图2)。如前所述,虽然双峰发射线并不是活动星系核对的唯一观测特征,但对于J1425+3231而言,在搜寻活动星系核对方向上已经迈出了重要一步,进一步验证需要从其它(直接)观测手段着手。

射电波段的甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry, 简称VLBI)是目前天文观测技术中分辨率最高的观测技术,能够达到毫角秒的角分辨率(换算成物理尺寸,1毫角秒相当于19光年)。从光谱信息推算J1425+3231中两个活动星系核相距约几千光年,VLBI图像拥有足够高的分辨率将两个星系核分开。如果两个活动星系核都拥有喷流,发射出强烈的射电辐射从而能够被射电VLBI干涉仪探测到,那么VLBI成像是验证J1425+3231存在两个活动星系核的最佳办法。


图2:SDSS J1425+3231的光学图像(图片来源:SDSS)和光谱(图片来源:彭志欣,陈燕梅,顾秋生,胡晨,2011,RAA,11, 411)。

近日一个由匈牙利、荷兰和中国科研人员组成的国际研究小组利用VLBI成像方法找到了SDSS J1425+3231星系中存在活动星系核对的更为直接的观测证据(Frey et al. 2012,MNRAS,出版中)。这一研究结果是基于欧洲VLBI网(the European VLBI Network,简称EVN)的观测得出的。观测在2011年完成,共开展了3次。第一次观测是在2011年1月26日在1.7GHz频率上完成的,持续了两个小时,采用了一种名为实时VLBI的观测技术,欧洲和中国的十余架射电望远镜参加了观测,各观测站采集的数据通过每秒1千兆比特的光纤传送到位于荷兰JIVE研究所的数据分析中心并完成数据相关处理。通过实时VLBI技术,分布全球的望远镜组成一个观测网,获得的分辨率等效于一个口径为地球直径的巨型望远镜(图3所示)。

图3:实时VLBI网络示意图。分布全球各地的望远镜通过高速光纤联合成一个巨大的“虚拟望远镜”,尺寸相当于地球的直径。

观测取得了很大成功,获得了分辨率高达6毫角秒(相当于35光年)的图像,探测到两个致密的射电分量(如图4所示)。图4中,两个黄色和红色团块分别对应于探测到的射电源,北边一颗较亮,南边一颗较暗,小图是放大显示的两颗射电源,它们相距8500光年。图像的中心在北边较亮天体,图像的横坐标和纵坐标分别表示以北边天体为参考的相对赤经和赤纬,单位是毫角秒。图像上左下角的实心黄色椭圆是表征VLBI观测网分辨率的波束大小,即11x6毫角秒。图中蓝色表示天空背景的噪声信号,通过颜色对比可以清晰地反衬出射电源。两颗源的射电光度远远超过一般活跃星系,一个最可能的解释是它们分别对应着两个并合星系的活动星系核,支持了J1425+3231包含活动星系核对的解释。随后在2011年10月18日和11月4日分别开展了5GHz和新一轮1.7GHz EVN观测,除了达到验证活动星系核对的目的,还获得了每个活动星系核的辐射谱信息,增进了对这个活动星系核对物理性质的认识。


图4:SDSS J1425+3231在1.7GHz的VLBI射电图像。探测到两个成分相距440毫角秒(mas), 相当于8500光年。图像的方向是:上北左东。

本项研究工作的意义不仅在于提供了J1425+3231作为活动星系核对的新观测证据,为研究星系并合又增加了一颗样本,更重要的是,它充分展示了射电干涉成像是验证活动星系核对的一个有效方法。在今后的研究中,VLBI将被用在从大样本候选体中筛选出真正活动星系核对,为研究星系演化提供可靠的观测样本。

这一研究工作是由Sándor Frey (FÖMI Geodetic Observatory, 匈牙利), Zsolt Paragi (Joint Institute for VLBI in Europe, 荷兰), 安涛 (中国科学院上海天文台) 以及Krisztina Gabányi (MTA CSFK , Konkoly Observatory,匈牙利)共同完成。安涛博士全程参与了该研究工作,包括观测申请、数据分析和论文撰写。该研究工作得到了中国科技部973项目(2009CB24900, 2012CB097334 )、中科院空间科学先导专项(XDA04060700 )、中科院国际合作局国际合作交流项目、匈牙利自然科学研究基金 (OTKA, K72515)的经费支持。

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