射电喷流与中央能源

射电喷流与中央能源蒋栋荣上海天文台一.喷流的观测研究•河外射电源的喷流是射电天文的主要研究目标之一喷流的成分，物理参数，速度和定向，辐射机制；喷流与中央能源：黑洞和吸积盘的关系产生机制和准直机制，寿命，对称性；喷流的传递以及与周围介质的相互作用及其对星系演化的影响等。射电强与射电宁静AGN•活动星系核有着很多的分类,大多是根据观测特征进行分类的,其物理的起源也是不完全理解的.其中最重要的一种分类是射电强和射电宁静.•这种分类1)是基于射电噪度R(radio-loudness)(在源坐标系中5GHz的射电流量密度与4400A光学流量密度的比).R10射电强活动星系核~10%R10射电宁静活动星系核•这种分类的物理意义是不完全清楚的由于通常在射电强活动星系核中,高分辨率射电观测中观测到射电喷流,其总的射电辐射的强度比射电宁静活动星系核高约3个量级.但是这二类源的红外,光学/紫外连续谱没有明显差异.在某种意义上作为是否存在射电喷流或喷流辐射相对于光学辐射强弱的分类.•随着射电干涉仪灵敏度的提高已经在很多射电弱的AGN中检测到致密射电核及射电喷流.射电强射电宁静耀变体BLLacs,OVVs喷流观测射电喷流主要观测设备:射电干涉仪VLA5GHzVLA-A~0.1角秒MERLIN～50masVLBI:VLBA,EVN,VLBA+EVN天文观测中最高的角分辨率D干涉仪中最长的基线长度毫角秒---几十微角秒Dbeam~1.2大尺度结构•核(Core)主导AGN平谱---致密(VLA尺度上)•瓣(Lobe)主导AGN陡谱---光学薄的同步加速辐射延展FRI与FRII•复杂形态FRI与FRII•射电星系在P(178MHz)=5x1025w/Hz处分为两类(FanaroffandRiley1974)FRIP(178MHz)5x1025w/Hz约80%的源检测到喷流，核附近单边喷流，在离核几kpc以后变为双边喷流并连接到大尺度lobes结构.射电lobes发射的峰之间的间隔与总的源大小之比小于0.5(edge-darkened)初始磁场平行于喷流，逐渐变为垂直于喷流。•3C449VLA1465MHzmap3C449VLA1.4GHz•FRIIP(178MHz)5x1025w/Hz峰值亮度间隔与源大小之比接近1(edge-brightened)有亮的外部热斑喷流和核的绝对光度通常大于FRI，但是由于瓣和热斑的光度增加使核和喷流远没有在FRI中突出。仅约10%的源检测到喷流。磁场平行于喷流，喷流中的亮knots的磁场垂直于喷流。•CygAVLA4885MHzmapCygAlobecorehotspotsjetVLAimageVLBIimage22GHzNGC6251射电图象黑洞并合NGC326X形状的星系占总的星系的7%射电图（AT）+HST二个互作用星系图象黑洞并合的证据并合使喷流的轴发生了约90度的变化3C75•正在并合的系统？VLA图•光学上二个核•射电四条喷流3C75S3C75NRestartedactivity(Laraetal.1999,A&A,348,704)外部Lobe的谱年龄3.5×106年2.3×106年光学观测可能互作用1.3pc尺度的喷流视超光速运动•VLBI观测已经发现在相当数量的平谱射电源喷流中的子源存在视超光速运动.多个历元的VLBI观测,可以测量喷流中一个子源(component)相对于核(core)运动的角速度,称自行(mas/yr)宇宙学距离(自行距离DM=(1+z)Da)视横向运动速度速度大小依赖于所采用的宇宙学模型参数(H0,q0)MappD视超光速运动3C279•类星体(z=0.536)Kellermannetal,2003内部喷流的弯曲EGRET源的VLBI观测•Jostadetal.(2001,ApJS,134,181）•对42个GammaBlarza1993-1997多波段多历元观测•33个源有视超光速运动。视速度分布高于其它强致密射电源中视速度的平均速度•VLBI核光度与Gamma光度相关•视超光速运动速度与视Gamma光度的相关强于与射电核光度的相关•EGRET源是高度beamed的活动星系核1156+296Helicaljet(Hong,Jiangetal.AA,2004,417,887)MERLIN5GHzMERLIN1.6GHzVLBA1.6GHzGlobal5GHzNGC4261吸积盘正向喷流反向喷流吸积盘的吸收NGC4258H2OmaserVLBI~3.5x107M中央黑洞年青的射电源•VLBI观测发现存在致密陡谱源（CSS，源大15kpc）GPS（GHzPeakedspectrum）GPS源中有相当高比例的源为致密对称双源(CSO,源大小1kpc)这些源的turn-over频率与源大小存在反相关致密对称源（CSOs）•VLBI尺度上发现一批致密对称双源•通过VLBI自行测量表明结构分离速度0.1-0.4C，相应的运动学年龄102－104年。•谱年龄估算与运动学年龄相符合•高的HI吸收检测率•某些源有高的尘埃含量，寄主星系有~108年前merger证据•年轻的射电活动源•与大对称双源的演化关系？1.4光学喷流•HST分辨率~0.1角秒与射电VLA相当至今发现～26个活动星系核光学喷流M87，3C264FRI射电星系3C273射电强类星体PKS0521-365BLLacObj.---Seyfert13C371OVV---RadioBLLacObj•主要结果1.光学喷流结构与射电kpc喷流结构通常有很好的对应关系2.通常认为是同步加速辐射3.M87中已观测到光学喷流的视超光速运动4.强beamed源5.可能需要加速机制？•M87FR1radiogalaxy射电VLBI和光学HST观测---视超光速运动PKS0521－3651.5X-ray喷流•至今已观测到37个射电源的X射线喷流(Harris,2003,ASPconferenceVol,XXX).基本解释除了热斑以外,X射线喷流全是单边的---不管什么辐射机制,需要相对论Beam效应.FRI:同步加速辐射FRII:SSC宇宙微波背景辐射的IC热斑辐射:SSC•要求有些喷流在Kpc及更远的距离上仍然是相对论性的.（Lorentzfactor5-10)•喷流中的分量的X波段同步加速辐射要求辐射电子的e~107,同步加速辐射电子的辐射寿命仅几年,需要电子加速区(激波区)CentaurusARedRadioBlueX-ray4000光年喷流喷流与星系气体碰撞产生激波,产生高能粒子发射X射线PKS0637-752Radio8.6GHzATCAChandraXray1.6若干主要的结果及解释1)经典双源的lobes对称地分布在核的二边,lobes的巨大能量是AGN活动性的信标之一。谱指数，高亮温度，偏振－－相对论电子的同步加速发射双向喷流模型是由于经典射电源的总的对称性所推动的。2)大、小尺度上检测到喷流并准直，星系核向lobes传递能量的证据。3)喷流常呈不对称性，VLBI尺度上的喷流几乎都是单边的，并发现射电喷流中的视超光速运动(SLM)，推动了相对论性喷流模型的发展。4)物质从环绕黑洞的相对论性势井中的逃逸速度近似光速,预期从黑洞环境中抛射的物质是在相对论性速度上运动的.5)从一个自旋的超重黑洞喷出的物质是在很小的尺度上准直的,并可以在很长的时间中保持其准直性。VLBI喷流是在小于0.1pc上形成和准直的,在许多射电源中pc尺度和kpc尺度的喷流保持很好的准直。6).AGN核区域物质的相对论性团块运动产生的beam效应至少在射电强的AGN中是重要的,因此它们的外貌和分类必定高度取决于源与观测者的相对定向.7).在射电强的AGN中,可以预期从射电到高能辐射都受到相对论性喷流的beam效应的影响.相对论性喷流模型（团块运动速度，Lorentz因子，视角）多普勒增亮因子频率0=1时间dt0=dt1/谱强度I0(0)=I1(1)3=I1(0)(3+)横向运动双向喷流对比度（p=3+orp=2+)喷流弯曲)cos1(1cos1sinapppcounterjetjetss)cos1cos1(sin~PA相对论性喷流模型可以解释喷流子源的SLM运动,单边喷流及弯曲,高亮温度,高变化性等现象相对论性喷流模型＋torus的遮挡效应为活动星系核的统一模型提供了依据。非均匀喷流模型(Konigle,1981,ApJ,243,700)•视角•Openingangle•速度()•电子密度•磁场)12(11)(),(eneerrnrnmrrBrB)()(11•VLBI观测到的core大小相应于光学厚的喷流在天空平面的投影•Core的流量密度•n=2,m=1时kkkaczBnrcD/1/)52/()32(1)52/(2112)]1([)(]csc)(2[sin522)32(2mnk))52(2/()4)(32(2/1)2/)4(2/5()(kmkmcores1core0cores1k•理论上利用app和可以确定喷流团块速度及视角。•实际上的估算是较困难的。有几种模型依赖的方法均匀球的SSC模型ssc能均分equi非均匀喷流的SSC模型jet这些方法各存在若干问题，所以只能在一定程度上描述相对论性增亮的程度，定量上可能有很大的误差。核主导参数Rc•假定射电源的发射在VLA图像中核(core)区域的发射是相对论性喷流增亮的,而延展发射几乎是各向同性的•通常将在源坐标系中5GHz上这两个发射的比定义为核主导参数Rc.它反映了核辐射相对于延展辐射的主导程度,coreextzGHzSSGHzSGHzSRobsobsobsextobsobscoreeextecore)1(5)()()5()5(•存在相对论性运动时(core有增亮时)•P=3+球分量P=2+连续喷流•源相对于观测者定向的指针(如果喷流团块运动的Lorentz因子近似相同的话).prestextrestcoreeextecoreGHzSGHzSGHzSGHzSR)5()5()5()5(二disk-jetconnection•各种相关关系------各种物理过程之间的联系•吸积盘辐射----热辐射•谱线辐射----盘辐射的电离光子被发射线云吸收后的再辐射•射电喷流----相对论性电子的同步加速辐射，提取吸积盘的能量或黑洞自旋能量•高能辐射低频光子逆康普顿散射同步加速辐射的尾部极高温气体的热辐射射电与光学连续谱辐射研究的困难1)射电强活动星系核的射电辐射存在着相对论beam效应的Doppler增亮。2)光学连续谱观测的分辨率太低,通常观测到的辐射中包括了核及寄主星系的贡献.3）disk辐射存在几何学效应以及torus的遮挡问题，加上对射电强的活动星系核,其光学辐射中可能包括了相对论性喷流(被Doppler增亮的)辐射的贡献4)光度－光度相关可能由于对光度距离的共同依赖关系而产生的伪相关射电与光学连续谱相关•陡谱射电类星体样本,喷流轴接近天空平面,避免相对论性喷流的影响.发现射电总流量与光学流量相关(光度相关).(Serjeantetal,MNRAS,1998,294,494)HSTFRI光学致密核与射电核辐射相关（Chiabergeetal.1999，AA，349，77）光学核同步加速辐射FRI&FRII光学核光度与核主导参数相关（Kharbetal.,2004,A&A,425，825）光学核辐射beamed同步加速辐射对FRI及窄线FRII吸积盘的辐射不重要射电与发射线辐射相关•谱线辐射没有相对论性增亮的问题直接联系到中央辐射源的电离光度问题：窄线：喷流与窄线云的互作用。宽线：disk-like几何学可能存小的定向效应射电光度与光学