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通过用QSO的临近效应来限制QSO的年龄和torus张角

标题:ON PROBING THE PROPERTIES OF QSOS THROUGH THEIR PROXIMITY EFFECTS ON THE INTERGALACTIC MEDIUM
作者:陆尤俊 & 于清涓
论文索引:  http://arxiv.org/abs/1105.1422
编辑供稿:蔡峥(University of Arizona)

背景介绍

从QSO中发出的紫外辐射会改变星系际介质的电离状态。在IGM中有些中性氢密度比较大的地方(我们叫做Lya吸收云,也叫做absorber,理由无非是中性氢 (HI) 对紫外光子 (特别是对 Lya)有强而显著的吸收。 但是,在离QSO比较近的地方,由于QSO 发射的紫外光子显著电离了周围几乎所有的中性氢,所以在这些区域中, 中性氢 (HI) 的密度实际上要比 IGM 中平均含有的中性氢密度要小很多,从而在这些区域中 IGM 对Lya光子吸收很弱,光深非常”浅”. 这种由于靠近 QSO 而光深显著降低的效应就叫做:”proximity effect”. 这种”proximity effect” 主要取决于:

(1). UV background,

(2). QSO内秉的性质: 亮度、年龄(寿命)以及UV辐射各向异性的特性。

(3). 在QSO周围IGM 密度分布

proximity effect 不仅对于测量 UV background 来说很有意义,而且更重要的,可以用它来限制 QSO 的年龄和亮度的演化, 以及用来研究 IGM 在QSO周围区域的密度提升。

proximity effect 分为两种,一种是 背景QSO 在视线上的 proximity effect (也就是 line of sight to a QSO (LOSPE)),这时 proximity effect 是由背景上的那个 QSO 造成。 另一种是在QSO 处于视线以外的 proximity effect 叫做 (transverse proximity effect (TPE))。这种情况下QSO处于视线之外, 但是在视线直线某处有一个很近的前景QSO,这个前景 QSO 的紫外辐射大量电离了其周围的中性氢, 导致在背景 QSO 发射出来的 UV 辐射在前景的这个个区域上光深减小, 从而被称作 (transverse) proximity effect。

LOSPE被广泛用作限制UV background (e.g., Scott et al. 2000) 和QSO周围密度的提高 (e.g. Rollinde et al. 2005). LOSPE 与QSO以前的演化无关,只受到观测到的QSO目前亮度的影响。而TPE效应则可以测量前景QSO的寿命(因为光从前景QSO跑到背景QSO的视线上面的时间必须要小于前景QSO的寿命,我们才能同时看到前景QSO和TPE效应)。所以,TPE就可以限制QSO的年龄。但是,目前的结果不是很统一。一方面,许多人用一些QSO pairs去做,找一个对另一个的TEP效应,横向距离小于(a few Mpc),但是他们没有发现TPE效应,说明QSO的寿命小于a few Mpc/ light speed= 10^6 yr. 但另一些人从已经发现的TPE效应出发,说QSO的寿命应该大于10^7 yr. 现在仍然不清楚这样的偏差是否是选择效应导致的。

这篇文章研究了QSO的LOSPE和TPE效应,考虑到QSO附近密度增长, UV辐射的各向异性,和QSO的寿命。 一方面,这篇文章的一个写作动机为了解决QSO寿命在观测上的矛盾(这个矛盾见上一段,两种方法得到的QSO寿命差别很大); 另一方面,文章中认为可以把LOSPE和TPE两种效应结合起来,可以同时限制QSO的寿命和torus张角。

图1. QSO 示意图,左图为type1 QSO,右图为type2 QSO。前景QSO在中心O的位置, OC是前景星系到观测者的方向,ED是背景的QSO的Lya forest视线方向。弯曲的实线是QSO proximity effect可以影响到的范围(随不同年龄)。

模拟工作:

为了计算QSO产生的proximity effect, 在一些以前工作对于HI 柱密度的统计和Lya 吸收线Doppler展宽的统计的基础之上,文章用了Monte-Carlo模拟的方法产生大量的Lya forest光谱。然后研究QSO在这些模拟Lya forest光谱上的proximity effect。

图2 是LOSPE effect,显示了由于IGM吸收降低的流量(flux decrement, DA)随在视线上距离的变化, 是130个红移2的QSO的平均。其中,图(a)表示了130Lya forest抽样样本的平均,图 (b)是500个Lya forest的抽样样本平均。蓝色模拟QSO的proximity effect之后的结果。绿线代表如果没有proximity effect的吸收结果。红线代表没有proximity effect,但是QSO周围有IGM的密度(主要包括大量被电离的HII和少量HI)上升效应的一个结果。可以看出,考虑了proximity effect之后,蓝线的DA显著下降,说明吸收弱了。红线和绿线差别不大,说明QSO周围物质密度上升并不太影响LOSPE。图3 显示了TPE效应作用下, IGM 被吸收的流量随视线方向距离的变化. 表达的意思同图2 类似.

图2. 在LOSPE effect作用下,IGM吸收降低的流量(flux decrement, DA)随在视线上距离的变化。图(a)表示了130Lya forest抽样样本的平均, (b)是500个Lya forest的抽样样本平均。蓝色模拟QSO的proximity effect之后的结果。绿线代表如果没有proximity effect的吸收结果。红线代表没有proximity effect,但是QSO周围有密度上升效应的一个结果。

图3. 在TPE效应作用下, IGM 被吸收的流量随视线方向距离的变化.图(a)与Fig2类似,不同在于Fig2是LOSPE效应,而此图是由一个与背景QSO很近的前景QSO造成的TPE效应。图(b)与Fig3(d)类似,只不过误差的估计是暗(Kirkman et al. 2008, KT08)估计的。

图4 是关于TPE效应一张非常全面的图,z~2. 横轴是造成TPE的离前景QSO的距离,纵轴是辐射流量由于吸收的降低(flux decrement,DA, 越大代表吸收越强). 图(a)代表前景QSO UV 辐射在没有任何torus遮挡的情况下的proximty effect. 不同的颜色代表前景QSO不一样的寿命。从图中可以看出,寿命越长DA越小,吸收越小。 图(b)代表了在同一个寿命的条件下,不一样的torus角度,也就是不一样的torus遮挡对于proximity effect的影响。不同颜色代表不同的torus角度,也就是对于UV radiation不一样的遮挡。图中显示,torus遮挡越小,DA越小,对应的吸收越小。图(c)代表在一定遮挡情况下(tarus角度=60度),不同前景星系寿命对于proximity effect的影响。(d)图显示了加上了前景QSO红移的系统和随机误差(around z=2)的模拟结果,其他与(c)是一致的。

图4. 在TPE效应下,模拟得到z~2时的TPE 各种效应同距离的关系. 横轴是造成TPE的前景QSO到背景QSO视线的垂直距离,纵轴是辐射流量由于吸收的降低(flux decrement,DA). 图(a)显示前景QSO UV 辐射在没有任何torus遮挡的情况下的proximty effect. 图(b)显示假定相同寿命的条件下,不同的torus遮挡对于proximity effect的影响。图(c)显示在部分遮挡情况的下(tarus角度=60度),不同前景星系的寿命对 proximity effect 的影响。(d)图显示了加上了前景QSO红移的系统和随机误差后( z ~ 2)的模拟结果。

结论和讨论

QSO的寿命和torus的张角是 QSO 物理与中心大质量黑洞增长的重要参数。这篇文章说明了 LOSPE只与背景QSO的周围密度增大有关。而在假设一定的UV background情况下,前景QSO的TPE效应取决于前景QSO的寿命,各向异性的UV辐射(torus的张角),围绕前景QSO周围的密度上升程度。TPE效应可以用于限制QSO的这两个重要的参数。而torus张角有时type 2与 type 1 QSO比例的重要参数。本文说明用TPE结合LOSPE能够独立给出对这个参数的限制。

前人用TPE两种方法(第一伙儿人用quasar pairs找TPE,第二伙用找到的TPE给出限制),给出的QSO寿命很矛盾(第一伙儿人结果是>2-3×10^7年, 第二伙儿是<10^6 年)。这篇文章从理论上加入考虑了QSO torus张角以及QSO周围IGM密度的增大,揭示两种方法产生结果的差异其实并非一定来源于内秉的QSO寿命的差异,而是可能用围绕前景QSO的IGM密度有一个增大,和torus的遮挡效应来解释,以及QSO寿命多个参数共同影响下决定的(QSO寿命并非唯一的参数)。未来的对于LOSPE和TPE的结合观测有可能会更好的限制QSO的年龄以及QSO torus张角这两个参数。

延伸阅读

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