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活动星系核的X射线观测研究

作　者: 谭颖
导　师: 王俊贤; 舒新文
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 天体物理
关键词: 活动星系核X射线观测宽铁 Ka发射线无遮蔽的Seyfer’2星系寄主星系
分类号: P152
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

活动星系核(AGN)被认为是宇宙中最亮的并且能持续发光的天体。大部份AGN都表现出很强的X射线辐射,因为AGN的X射线起源于AGN的最内区,AGN的X射线观测研究对于了解AGN的物理性质十分重要。本文分别从AGN的宽FeKa发射线和X射线连续谱没有吸收特征的Ⅱ型AGN两个方面开展研究。AGN中心黑洞吸积盘上的高温冕区产生的硬X幂律连续谱照射到吸移盘表面,被冷吸积盘物质反射产生Fe Kα荧光发射线,受到引力红移、多普勒效应等影响,在观测光谱中表现为6.4keV处宽而不对称的复杂发射线轮廊,称为宽Fe Ka发射线。宽Fe Ka发射线在很多AGN中被观测到,是研究黑洞周围物理性质和物质的几何分布的重要途径。在少数AGN中,宽Fe Ka发射线轮廓太向红端延伸,不适用史瓦西黑洞模型,必须考虑极端克尔黑洞模型,此时黑洞周围吸积盘宽Fe Ka发射线辐射区域内半径(假设延伸至黑洞最内稳定轨道,由黑洞自旋决定)可以更加靠近黑洞,引力红移很强,发射线的轮廓往红端延伸,因此宽Fe Ka发射线轮廓是测量超大质量黑洞自旋的有效手段。然而,关于AGN的宽Fe Ka发射线的性质存在剧烈争辩,有种替代模型认为观测光谱中的宽Fe Ka发射线轮廓其实是X射线连续谱受到复杂电离吸收或者活动星系核的部分覆盖吸收造成的。宽Fe Ka发射线模型和替代模型在观测上并没有统计性区别,人们采取了很多手段,比如拟合更宽波段的观测数据以精确吸收,研究没有或者热吸收非常弱的bare Seyfert AGN,检测反射谱相对连续谱的滞后等,仍然没有得出明确结论。这时,分析Ⅱ型AGN的宽Fe Kα发射线是一种新的思路,因为在替代模型中,Ⅰ型AGN的电离吸收有关键作用,而Ⅱ型AGN的X射线吸收由j冷物质主导,但是Ⅱ型AGN中宽Fe Ka发射线很少被观测到。我们发现Ⅱ型AGN IRAS00521-7054(?)的XMM观测光谱中存在极强极宽Fe Kα发射线(静止坐标系下EW=1.3keV),红端延仲至3keV,最佳拟合模型是laor模型或者kerrconv*reflionx模型,自旋参数0.97,表明IRAS00521-7054的中心黑洞是高速自旋的极端克尔黑洞。这是首次测量到一个Ⅱ型AGN中心黑洞的自旋。需要注意的是,理论计算表明,一个密度恒定的盘状结构被幂律连续谱照亮时,反射只能够产生等值宽度小于800ev的宽Fe Ka发射线。IRAS00521-7054两次XMM观测的发射线等值宽度都很大,这在以前的AGN观测中极其少见,仅仅Ⅰ型AGN MCG-06-30.15和1110707-495中被观测到。一个可能的物理解释是光线弯曲模型,当硬X幂律连续潜辐射区域足够靠近黑洞,强大的相对论引力效应使我们观测到很暗的X射线连续谱成分和稳定的反射成分。同时,我们尝试用不包括宽发射线的替代模型来拟合光谱,单成分的部分覆盖热/冷吸收模型被拟合优度的卡方检验简单排除。用双吸收模型(1个吸收成分覆盖100%,一个吸收成分部分覆盖)来拟合光谱,拟合优度的卡方检验仍差于宽Fe Ka发射线模型(△χ2=9),并且拟合得到的吸收的幂律谱非常陡(谱指数г=2.8±0.1,大于99.7%XMM观测到的AGN的谱指数)。我们的结论是,IRAS00521-7054的宽Fe Ka发射线不太可能是由X射线连续谱的复杂吸收造成的。当然要完全排除宽Fe Ka发射线的替代模型,我们需要更高质量和更宽波段的X射线观测。我们的第二项研究工作是X波段没有吸收特征的Ⅱ型AGN,出发点是AGN统一模型。按照AGN统一模型,Ⅰ型AGN和Ⅱ型AGN内禀结构相同,Ⅱ型AGN的光学光谱观测不到宽发射线是因为宽线区在视线方向上被光学厚的尘埃环遮蔽,很多Ⅱ型AGN的偏振观测和近红外光谱观测观测到隐藏的宽线区,对AGN统一模型给予了有力证明。口前,Ⅱ型AGN中一种新的类型,X波段没有吸收的Ⅱ型AGN被陆续发现,这些AGN的X射线连续谱经过拟合基本没有吸收或者吸收太小,不足以解释宽线区的缺失,预示着宽线区可能不存在,这对AGN统一模型是一种挑战。然而,精确的拟合AGN X-ray光谱是很困难的。一方面,AGN X-ray光谱吸收往往比一个简单的幂律谱复杂,在许多情况下,还需要考虑软X-ray过剩,热吸收,部分覆盖吸收,散射成分,反射成分,宽铁线等。另一方面,寄主星系在软X-ray波段的污染也不可忽略,虽然更好质量和/或更高的空间分辨率的观测数据,可以缓解这些困难,对大部分AGN的观测来说,即使使用CHANDRA或者XMM,这些困难仍未根除。尽管某几个X波段没有吸收的Ⅱ型AGN是可信的,很多X波段没有吸收特征的Ⅱ型AGN经过高空间分辨率的观测,被证明其实是X波段被严重遮蔽。区别于以前对个源的研究,在本文中我们系统的揭示了寄主星系软x波段贡献对Ⅱ型AGN X射线连续谱的影响。红外波段的[OlV]25.89μm发射线光度已经被证明可以表征AGN内禀光度,[NeⅡ]/[OⅣ]的发射线光度比则被证明可以表征寄主星系活动和核区活动的相对强弱。我们比较了12个X射线连续谱没有吸收特征的Ⅱ型AGN和29个X射线连续谱有吸收特征的Ⅱ型AGN,发现前者的[NeⅡ]/[OⅣ]发射线光度比明显高于后者,表明X射线连续谱没有吸收特征的Ⅱ型AGN,光谱中的寄主星系软X波段贡献比例更高,使连续谱的软X波段抬高,谱型变陡,观测最终得到没有吸收特征的幂律连续谱。进一步研究发现,两组AGN的[NeⅡ]发射线光度没有明显区别,前者的[OⅣ]发射线光度明显低于后者。表明核区本征光度低的AGN更容易被寄主星系软X波段贡献干扰。另外我们由此引申出一个新的方法,通过比较恒星形成率经验公式对应的2-10kev流量和X波段2-10kev观测流量,可以快速筛选出显著被寄主星系污染的Ⅱ型AGN。

全文目录

摘要  5-8
ABSTRACT  8-13
第一章绪论  13-37
  1.1 活动星系核简介  13-23
    1.1.1 活动星系核的观测特征  13-16
    1.1.2 活动星系核统一模型  16-23
  1.2 活动星系核的X射线观测研究  23-29
    1.2.1 Ⅰ型活动星系核的X射线光谱  24-28
    1.2.2 Ⅱ型活动星系核的X射线光谱  28-29
  1.3 X射线天文观测卫星  29-37
    1.3.1 ASCA天文卫星  31
    1.3.2 XMM—Newton天文台  31-33
    1.3.3 Chandra  33-34
    1.3.4 其他卫星  34-35
    1.3.5 小结  35-37
第二章一个可能有超强超宽铁Kα荧光发射线的Seyfert 2星系：IRAS00521-7054  37-55
  2.1 宽铁Kα荧光发射线  37-44
    2.1.1 宽铁Kα荧光发射线的简介  37-40
    2.1.2 光线弯曲  40-41
    2.1.3 宽铁Kα荧光发射线的复杂吸收模型  41-42
    2.1.4 宽铁Kα荧光发射线的观测  42-44
  2.2 IRAS 00521-7054的XMM-Newton光谱和数据处理  44-47
    2.2.1 数据处理  45
    2.2.2 光谱拟合  45-47
  2.3 讨论  47-52
    2.3.1 替代模型  48-51
    2.3.2 非常强的宽铁Kα发射线的本质  51-52
  2.4 小结  52
  2.5 展望  52-55
第三章 X射线光谱没有吸收特征的Seyfert 2星系  55-76
  3.1 引言  55-56
  3.2 样本和数据处理  56-69
    3.2.1 样本选择  56-63
    3.2.2 统计分布  63-69
  3.3 相关讨论  69-75
    3.3.1 孔径效应  69
    3.3.2 真正的X射线无遮蔽Seyfert 2星系  69-74
    3.3.3 Seyfert星系和寄主星系恒星形成  74-75
  3.4 结论  75-76
参考文献  76-85
致谢  85-86
在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果  86

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