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1型AGN中的[OIII]发射线蓝移与Baldwin Effect

(非常感谢中国科技大学张锴同学的投稿,这也是我们的第二篇介绍同学自己工作的文章;前不久和一位外国天文学家聊天时,他提及一个很有意思的事实,就是现在astroph上更新的文章中,统计下来,包含中国作者的文章可以占到四分之一,而其中多数是学生;我们非常愿意把天文理科人作为一个各位同学宣传和介绍自己工作的文章的平台。本篇投稿依然由管理帐号代发,不过我们已经注意到了wordpress官方服务的一些不方便的地方,同时,杨辰涛同学正在我们的镜像站点上努力测试新的模板和功能,在不久以后,我们应该会使用自己的域名,并把主要阵地转移到国内服务器上,届时会更方便作者注册帐号和发表文章,请大家耐心等待)

标题: 1型AGN中的[OIII]蓝移与Baldwin Effect
作者: 张锴,董小波,王挺贵,Martin.C Gaskell
论文索引: astroph:1105.1094
编辑供稿: 张锴 ( 中国科学技术大学 )

背景介绍

我们现在知道几乎在所有有核球的星系中央都有一个超大质量黑洞。由于某种原因一些气体掉到中心的时候,这些气体燃料的引力势能被释放,我们称其为活动星系核(Active Galactic Nuclei, AGN)其亮度甚至可能大大超过寄主星系的亮度。气体如何下落现在还不是很清楚,但很有趣的是,AGN会形成很统一的结构。这点在光学光谱上就非常明显,因为AGN光谱相互之间差别相比于不同星系光谱差别要小的多。中央的吸积盘是能量主要转化区,发射出多温的连续谱,其峰值在1100A左右,这个对应光谱中的连续谱。往外是宽线区(Broad Line Region, BLR),其结构现在也不是很清楚,主要原因是其尺度太小(2000km/s)。而窄线区(Narrow line Region, NLR)相对研究得清楚些,主要得益于其尺度可以延伸到Kpc量级。宽线区和窄线区的关系一直都是大家很感兴趣的问题,宽线区的高电离线如CIV通常有很强的外流成分,而这个在窄线区的[OIII]也有,有人甚至猜想他们这两个外流成分应该是同源的。(由于一些技术原因,这个问题没有确定结果。)如果我们能发现宽线区与窄线区的联系,就为研究宽线区打开了一扇窗。毕竟,研究大尺度的东西技术上容易些。


fig1

Fig.1: AGN光谱和我们的分解结果。黑色线是扣除连续谱和铁线后的残差谱,浅蓝线是Hbeta宽线,绿线是Hbeta窄线。蓝色和粉色线分别表示[OIII] 5007的wing和core成分。绿竖线是由[SII]线定的系统红移。[OIII]相对系统红移有明显蓝移。

尽管AGN光谱粗看差别不大,但更详细的分析发现一级或者二级的效应还是很明显的。其中最著名的可能要算Baldwin effect了。这个效应简单说就是源光度越强,发射线相对越弱。对发射线强度系统的研究方面最著名的工作当属 Boroson & Green 1992 (BG92)了。他们运用主成分分析方法(PCA)得到了AGN特性的主要驱动量。第一个主成分(Eigenvector 1: EV1)中最重要的成分就是[OIII]线强度及其与其他线线比。换句话说,AGN彼此间的区别一个重要参量就是[OIII]的相对强度。而另一方面,[OIII]的光度常常被用来作为AGN光度的代替指标,因为AGN的连续谱和宽线都因尺度小而容易被遮挡,大尺度的[OIII]发射区则没有这个问题。而且[OIII]最为窄线区的冷却剂,其强度也是最强的。这么一来我们就面对一个比较尴尬的境况,一方面要用[OIII]来估计AGN强度,另一方面它又是变化很大的一个东西。为了解决这个问题,我们就需要研究清楚[OIII]强度到底由什么决定的这个问题。

主要结果

我们发现[OIII]的等值宽度(即强度)和AGN的几个主要参量,包括光度,黑洞质量,Eddington ratio (正比于光度除以黑洞质量)关系都不大,而与[OIII]线相对于蓝移速度关系是最好的(相关性系数=0.52)。(见图2)


fig1

Fig.1: [OIII] core成分和[OIII]速度的关系。第二个panel是我们找到的最强的一个关系。

[OIII]线的速度本身和Eddington ratio关系是最强的,这个与盘风模型的预言是一致的。[OIII]的这个行为和CIV宽发射线的行为非常相似,进一步证明了宽线区和窄线区的内秉关联性。我们结果说明,对于不同光度,不同黑洞质量,不同Eddington ratio的AGN,用[OIII]作为AGN光度的代替指针都不会有大的系统性偏差。基于这个,我们提出[OIII]强度可能很大程度上是由寄主星系中的介质决定的。这个介质一方面发射[OIII]线,另一方面又减速[OIII]的外流。密的介质发射率和对外流的减速能力都会相对高些,介质的密度轮廓也会对[OIII]强度和对外流减速能力有影响。所以整体来讲,高的[OIII]强度会和低的外流速度相联系,正如我们所观测到的。


fig3

Fig.3: 按不同方式分bin所做的复合谱。通过这三个图我们可以看到[OIII]随蓝移速度,光度,Eddington ratio的变化趋势。

延伸阅读

  • 1. 用[OIII]做AGN光度的参考文章
  • 2. 用[OIII]宽度做sigma_*代替的参考文章
  • 3. [OIII]发射各向异性的参考文章
  • 4. [OIII]强度变化原因的参考文章
  • 5. [OIII]外流研究核[OIII]发射区大小的参考文章
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    讨论

    14 thoughts on “1型AGN中的[OIII]发射线蓝移与Baldwin Effect

    1. 同意,Jet 确实不容易产生强的反馈。毕竟它们本身太准直了。

      Posted by Guang-Xing | 五月 15, 2011, 4:06 下午
    2. 还有就是如果OIII线的等值宽度和AGN光度关系不大,利用OIII线作为AGN光度的代替指针还合适吗?

      Posted by novae | 五月 11, 2011, 2:17 下午
    3. 问几个小白的问题,宽线区有没有OIII线?什么是谱线的核(core)成分呢?Fig 2 中的纵轴含义的啥?

      Posted by novae | 五月 11, 2011, 2:00 下午
      • 宽线区没有[OIII],原因是密度太高,10^9-10^10, 而[OIII]的临界密度只有10^5.8。core是那个窄窄的,离系统红移近的成分;Fig.2的纵轴是core成分速度和[OIII]整体速度(流量为权重)。

        Posted by kk | 五月 11, 2011, 2:38 下午
    4. 维里化指 < T > = -1/2 < V > ,与“自引力”有什么区别,或者这个自引力是怎么定义的?

      Posted by Zheng Cai | 五月 11, 2011, 2:20 上午
      • 自引力是指一团物质是由引力束缚的,在没有其他任何力的情况下也不会散掉。其他束缚方式还包括磁束缚(比如等离子体只能演磁力线跑),压力束缚等等。

        Posted by kk | 五月 11, 2011, 2:40 下午
    5. To zzy:这个主要是由黑洞的典型质量来确定的。因为黑洞典型质量在10^8Msun,由维里定理就得到了宽线区大概0.1pc-1pc。这里维里化是在黑洞势井或者星系势井中维里化,不是自引力的。说不是自引力也不准确,因为发射区或者Torus的云自身也可能是引力束缚的,维里化只是整体效应。等值宽度就是连续谱的等效宽度(波长)。

      很宽的线翼不是外流,而一般认为是光学薄云的特征。可见Zheng,W et al. 1992。蓝移才认为可能是外流。HS说的对,这个文章合作者Martin.C Gaskell就认为蓝移是内流。

      [OIII]是发射线,等值宽度从本质上来讲就是线流量除以连续谱流量,即[OIII]相对连续谱的强度,或者可以理解为用连续谱归一了。

      [OIII]肯定是和温度有关系的,这个可以看延伸阅读里面第四条。

      有人认为[OIII]外流是Jet导致的,但不是主流思想。我个人也不太倾向。

      Posted by kk | 五月 10, 2011, 7:46 下午
    6. 尝试着回答一下

      高速度弥散对应宽线发射区域,一般都是在BLR的小尺度上的,这个似乎根据Virialized假设就可以得到
      宽线区尺度是和AGN光度相关的,而且宽线区的话很难定义一个明确的物理尺度,一般只能通过光变时标来估计,大致在几十到几百light day的样子?
      CIV线在QSO和1型AGN中往往有着很强的蓝移,这个蓝移的确不一定是外流或是盘风的证据,比如有人确实想用内流的散射效应来解释,我问过Luis这个问题,他说,不一定是外流,但至少说明宽线发射区有不同的速度结构
      文中的测量都是扣除了连续谱成分后的,而且做了线成分的分解,似乎没有太大问题
      关系肯定是有,但是似乎没那么强,我只知道HII区里,最好的定电子温度的方法是[OIII] 4959+5007/[OIII] 4363的比值

      Posted by Song Huang | 五月 10, 2011, 5:47 上午
      • 多谢解答.

        其实我的问题是 2000km/s左右的速度弥散度和小尺度有什么逻辑关系? 通常这种放在括号里面表示”等效”, 或者”同义”吧?

        另外, 现有分辨率还无法分辨出AGN的宽线区大小, 虽然统一模型将其限制在很小的尺度上, 但是不一定统一模型就一定是正确的.

        还有就是我不理解, 即使的确限定在AGN统一模型框架下, 为什么对气体可以做维里化的假设? AGN周围的气体应该不是靠自引力束缚的吧, 这种势能动能和(温度??)都超高的气体, 其状态为何应该期待是维里化的? 或者维里化的假设只算是一个最简单的近似解.

        我那个线宽的问题不是质疑测量. 可能我的理解有点问题. 在这里等值宽度是不是表示, 谱线的积分强度等效于连续谱相同面积下的速度(或者波长/频率)宽度?

        Posted by ZhiyuZhang | 五月 10, 2011, 6:18 下午
        • 这个主要是由黑洞的典型质量来确定的。因为黑洞典型质量在10^8Msun,由维里定理就得到了。这里维里化是在黑洞势井或者星系势井中维里化,不是自引力的。说不是自引力也不准确,因为发射区或者Torus的云自身也可能是引力束缚的,维里化只是整体效应。等值宽度就是连续谱的等效宽度(波长)。

          Posted by kk | 五月 10, 2011, 7:22 下午
    7. 从来没做过光学和AGN, 可能这些问题有点小白.

      请问, 在第一段最后一部分的”主要原因是其尺度太小(2000km/s).” 这里如何将高速度弥散度和小尺度联系在一起?

      在AGN统一模型中, 宽线区的特征物理尺度是多大? AU量级或者PC量级?

      如何确定 “宽线区的高电离线如CIV通常有很强的外流成分”? 通常是否是如果遇到很宽的线翼, 就认为这个成份就是外流? 是否如果在宽线区存在高速旋转气体, 抑或高速内流的话, 会和外流假设有混淆或者简并? 如果是外流, 是否同AGN的jet有关?

      [OIII] 是发射线吧? 为何它的等值宽度可以等同于强度? 吸收线才是等同吧?

      [OIII] 的强度是否同温度有关系?

      Posted by ZhiyuZhang | 五月 9, 2011, 5:37 下午

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