（天体物理专业论文）活动星系核的铁kα荧光线辐射和钱德拉x卫星南天深度巡天.pdf

c h a n d r a x射线天文台是目 前最先进的x射线观测设备之一， 率达到了半角秒的量级，使得深度巡天成为了它的重要使命之一 c h a n d 二南天区深度巡天的研究， 在本文的 最后一部分我们给出了 天 区 深 度 巡 天 的 详 细 介 绍 以 及 x 数 据 的 处 理 过 匆/ 它的角分辩 本人参加了 c h a n d r a 南 摘要 v1 1 abs tract 一 飞 i n t h e c h a p t e r 1 o f t h i s t h e s i s , w e g a v e b r i e f i n t r o d u c t i o n t o t h e d e v e l o p m e n t o f x - r a y a s t r o n o m y o b s e r v a t i o n s , w h i c h i s o n e o f t h e m o s t i m p o r t a n t a n d a c t i v e p a r t s o f m o d e r n a s t r o n o m y . d u e t o t h e r e s e a r c h e x p e r i e n c e s , w e i n t r o d u c e d a s c a x - r a y s a t e l l i t e a n d c h a n d r a x - r a y o b s e r v a t o r y i n m o r e d e t a i l s . x - r a y o b s e r v a t i o n s a r e q u i t e i m p o r t a n t t o t h e s t u d y o f a c t i v e g a l a x i e s n u c l e i , p a r t i c u l a r l y , t h e f e k a l i n e a t a b o u t 6 .4 k e v i s c o n s i d e r e d a s a n i m p o r t a n t p r o b e t o d e t e c t t h e s t r u c t u r e o f t h e i n n e r m o s t r e g i o n o f a g n . i n c h a p t e r 2 o f t h e t h e s i s , w e r e v i e w e d t h e t h e o r i e s a n d o b s e r v a t i o n s o f f e k a l i n e s i n a g n . u s i n g a s c a a r c h i v e d d a t a , w e d i d s o me r e s e a r c h o n f e k a l i n e s i n a g n . h e r e a r e t h e ma i n r e s u l t s : i . t h r o u g h s i m p l e g a u s s i a n l i n e fi t s , w e f o u n d n o t o n l y o b v i o u s f e k l i n e v a r i a b i l i t y w i t h n o s i g n i fi c a n t d i ff e r e n c e i n t h e x - r a y c o n t i n u u m fl u x b e t w e e n t w o a s c a o b s e r v a t i o n s w h i c h w e r e s e p a r a t e d b y 、4 4 0 d a y s , b u t a l s o r a p i d v a r i a b i l i t i e s o f f e k l i n e o n t i m e s c a l e s 、1 0 4 s w i t h i n t h e s e c o n d o b s e r v a t i o n . d u r i n g t h e l o n g e r o b s e r v a t i o n , t h e li n e w a s s t r o n g ( e w=7 3 3 士 盆 早 昌 e v ) a n d b r o a d ( o =0 .9 6 士 合 遭 星 k e v ) w h e n t h e s o u r c e w a s b r i g h t e s t , a n d b e c a m e w e a k e r ( e w=1 6 5 士 昌 石 e v ) a n d n a r r o w e r ( o 2 . 1 5 2. 4 2 nu000nud产u 一+一+一+一 6 . 7 4 + 旦 士 6 . 1 8 士 吕 6 .3 9 士 吕 6 . 4 9 6 . 4 9 6 . 6 1 6 .4 0 土 吕 6 .3 士 扰 1 3 . 士 丢 ， 1 3 亡 61 1 7 .0 士 耗 9 9 9 士 17 9 7 31韶叱此 此我们的结论是在两次观测之间，n g c 4 0 5 1 的x射线连续谱流量没有明显变 化.从表3 . 1 中我们还可以看到连续谱的谱指数也没有明显变化. 够. 4 第二观测中的铁k a 线的快速光变 一 、在两次的a s c a观测中，n g c 4 0 5 1 的x射线连续谱在 1 0 0 。 尺度上有着 显著的变化. 为了寻找可能的铁k 。线的快速光变， 我们选取n g c 4 0 5 1 的第二 次a s c a的观测( 有较长的观测时间 ) 做细致分析. 此次观测的0 .4 一 1 0 . 0 k e v 的光变曲 线可见图3 .2 .我们将观测分成五个时间段 ( i- 1 到i - 5 ) ， 每个时间段 持续大约 1 0 k s , i - 1 中x射线连续谱流量最强，而 i - 5 中最弱，其它三个时间 段连续谱流量相似. 我们用同样的单幂律拟合连续谱，单高斯拟合铁 k 。线得到的结果同样列 在表3 . 1 中.我们用f a b i a n e t a l . ( 1 9 8 9 ) 的盘模型拟合的结果也列在表中.i - 2 到1 - 4 时间段的x射线连续谱的谱指数大致相同， 而i 1 时间段的连续谱较陡， 1 5 时间段的谱较平.i - 2 到i - 4 时间段拟合得到的单高斯线的宽度和等值宽度也 3l 3 . 4第二观测中的铁k c a 线的快速光变 、 、 o b s e r v i n g t i me : 1 9 9 4 . 7 . 6 日 i n t i me : 1 2 8 . 0 s 一lee一|卜1卜冲毗r翻卜甲卜| 一.皿.11 !1卜州日目u朋山叭引引引川r. h比出叫11川侧侧11l11日11 ;.工1 |1，1门比仆卜11iee. 1|日以月同llrlllllllll机脚ii11=- 一一1. 卜7 飞 |卜日日日川比叭. 一!“rllll.日llllr.敌 汽 明芒n。u i 一5 肠圳 毛 ， i 一3 闪 05 x 1 0 4 图3 .2 : a s c a于 1 9 9 4 年 7 月对 n g c 4 1 5 1 a s c a的s i s o 探测器，能量范围是0 .4 - 的五个时间段也标在图中. 1 0 5， 5 x 1 0 5 丁 m e ( s ) 的观测得到的光变曲线: 光子计数来自 1 0 .0 k e v， 我们分析铁线快速光变使用 第三章 n g c 4 0 5 1 中的铁k a荧光线的快速变化 基本一致，而 i - 1 时间段有宽而强的铁线，i - 5 时间的铁线则窄而且弱.图3 . 3 分别给出1 - 1 , 1 - 2 十 3 + 4 , i - 5 时间段的铁线的轮廓. 为了更清晰的显示铁线的 变化， 我们在图3 .4 中 给出i - 1 , i - 2 + 3 + 4 , i - 5 时间段铁线的宽度与等值宽度 的c o n t o u r 图.i - 1 时间段的铁线的等值宽度为 7 3 3 e v，比时间平均谱的铁线 等值宽度明显要大， 而且i - 1 的铁线也要宽的多(a=0 .9 6 k e v) .而i - 5 时间 段的铁线的等值宽度只有1 6 5 e v， 而且非常窄( o0 . 0 9 k e v) . 我们在拟合 i - 5 时间段的 铁线过程中 人为的 加入了一个宽的 高 斯成分( e g =6 .4 k e v, a = 0 .4 6 k e v， 与时间平均谱拟合得到的铁线的参数一致) ， 拟合给出这个可能的宽 成分的等值宽度的上限是8 0 e v ， 远小于其它时间段得到的结果.所有的分析清 晰的表明在a s c a对n g c 4 0 5 1 的第二次观测中存在着铁k a荧光线的 快速而 显著的变化. 3 . 5 讨论 铃. 5 . 1 x射线连续谱流.与铁k线等值宽 度的关系 经过分析a s c a的数据我们发现，在从 1 9 9 3 . 4 . 2 5 到 1 9 9 4 . 7 . 6 的时间范围 内 ，n g c 4 0 5 1 的 铁k线明 显的 变宽 变强， 但是连续谱的 流量与谱形却保持不 变. 这表明在长时间尺度上，铁k线的变化是可以独立于x射线连续谱的变 化. 如果认为铁 k线是来源于活动星系核的吸积盘，那么上述的变化行为可能 是铁k线产生区结构的变化或者是硬 x射线源几何形态的变化所引发的。1 9 9 4 年的强而宽的铁线表明铁线的产生区距离中心大质量黑洞较近. 通过分析3 9 个活动星系核的a s c a数据，n a n d r a e t a l . ( 1 9 9 7 b ) 发现a g n 的铁线的强度明显的随着源的x光度增加而减弱. 这种效应被称之为x射线 b a l d w i n 效应.i w a s a w a 不仅如此，我们发现在第二次a s c a的观测过程中，n g c 4 0 5 1 的铁k a荧光 线有着1 0 4 s 尺度上的 快速变化. 在观测过程中， 连续谱最强的时候， 铁k线最 宽 (。二0 .9 6 k e v) 最强 等值宽度为7 3 3 e v) ， 在连续谱最弱的时候， 铁 k 线最弱 ( 等值宽度为 1 6 5 e v) 和最窄o0 .0 9 k e v) .铁 k线的等值宽度与 连续谱的流量正相关， 这跟m c g - 6 - 3 0 - 1 5 的结果正好相反. 第四章ngc 4 1 5 1中铁ka荧光线的独特谱形 4 . 1 引言 a s c a卫星对mc c - 6 - 3 0 - 1 5 持续4 . 2 天的连续观测得到的铁k a荧光线的 极宽而不对称的谱形，谱线的峰值位于 6 .4 k e v，一个巨大的红翼延伸至约 4 k e v， 这样的谱线轮廓被认为是黑洞周围相对论吸积盘上荧光线辐射的独特特 征， 从而强烈支持了活动星系核中心大质量黑洞的存在( t a n a k a e t a l . 1 9 9 5 ) . 谱线的独特轮廓是强引力场红移及相对论性d o p p l e r 效应叠加的结果，6 .4 k e v 以 上铁线流 量迅速截止表明吸积盘的倾角 较小.f a b i a n e t a l . ( 1 9 9 5 ) 分 析了 其它可能解释观测得到的独特铁线轮廓的模型， 发现它们都没有相对论吸积盘 模型成功. 铁线的 吸积盘模型拟合( t a n a k a e t a l . 1 9 9 5 ) 以 及b r o m le y , m i ll e r y a q o o b e t a l . 1 9 9 5 ; n a n d r a e t a l . 1 9 9 7 a ; t u r n e r e t a l . 1 9 9 8 以 及 它 们的 参 考 文献 ) . 活动星系核铁 k a荧光线的相对论吸积盘模型显示谱线的轮廓对吸积盘的 倾角非常灵敏 ( f a b i a n e t a l . 1 9 8 9 ) .如前所述，倾角是指视线方向与吸积盘法 向的夹角， 如果这个角度很小接近零度， 我们称之为f a c e - o n ( 面向 ) ， 如果这个 角度较大接近于9 0 度，我们称之为e d g e - o n . f a c e - o n的结构辐射出的荧光线 相对较窄， 谱线的蓝翼截止很快， 而e d g e - o n 的结构辐射出的线展的较宽， 谱线 有明显的蓝翼.因此通过对铁 k c e 荧光线轮廓的拟合我们可以测量吸积盘的倾 角。s e y f e r t 1 星系mc g - 6 - 3 0 - 1 5 的铁线轮廓拟合得到的吸积盘倾角为3 0 度， n a n d r a e t a l . ( 1 9 9 7 a ) 利用a s c a的观测数据分析了一个s e y f e r t 1 的样本， 对 铁k a 荧光线的拟合结果表明这些s e y f e r t 1 星系的吸积盘平均倾角为3 0 度( 对 球形随机分布的样本来说这个平均值为6 0 度) ， 表明这些吸积盘为f a c e - o n ， 与 活动星系核统一模型 ( a n t o n u c c i 1 9 9 3 ) 的预言是一致的. 但是情况远比 现在简单的图 象复杂. t u r n e r e t a l . ( 1 9 9 8 ) 分析了 一个s e y f e r t 2 星系的样本， 发现那些x射线能穿过吸收并在整个 x连续谱中占主导地位的 第四章 n g c 4 1 5 1中铁k a荧光线的独特谱形 s e y f e r t 2 星系的铁k a的轮廓与s e y f e r t 1 星系类似，也预示着f a c e - o n的吸积 盘的存在， 与活动星系核的统一模型的预言相违背.w e a v e r ii :著名的4 .2 天a s c a 观测得到的 m c g - 6 - 3 0 - 1 5 的铁 k线的轮廓 第四章 n g c 4 1 5 1 中铁k a荧光线的独特谱形 e w. o , . ( e v ) e wd i a k ( e v ) x 2 / d o f 6 2 8 / 5 9 9 6 0 9 / 5 9 6 q+ o 8 9 士 ; 孟 -2 .0 士 于 - 3 . 3 士 若 2 7 + i- 2 5 8 驾墓 ijs工.80 2222-1 十-+-+一 卜匕行匕八曰 njl卜d ，11，1 仁-+- 闷一n6 ab 表4 . 1 : 两种不同的模型对n g c 4 1 5 1 的铁线轮廓的拟合 一 表中参数误差的1 信度为9 0 %， 窄成份的能，被固定为6 .4 k e v ( 源坐标系) ，宽度为零 ( 等效为 探测器的最小分辨本领) . 模型a : t o r u s 贡献的窄成份 ( 等值宽度为 e w.) 加单相对论吸积盘成份 ( 等值线宽度为e wd i n k ，能2被固定在 6 . 4 k e v，源坐 标系) ;模型b:两个具有不同倾角的相对论吸积盘成份加 t o r u s 贡献的窄成 份.两个模型中都考虑了1 1 . 3 %的铁k 口成份。 光线相对于铁k 。 线要弱的多，在拟合较低质量的数据的时候，人们往往忽略 铁k o成分， 但考虑我们得到的铁线轮廓有很高的质量， 我们在拟合中为相对 论盘成份和窄成份铁 k a线引入了对应的铁 k o成份，铁 k 口成份的流量为铁 k a的1 1 . 3 % ( g e o r g e : . 3 一 尹 份 料 甲 甲 甲一 it 钾十 净 + + . t t 7 分 .产、 .， 二 * 1， 泞 11礼 : .三 一 尹 丫伞 t q 种 树尹 争 丁 ， ， r - ! -j 1.111 拟d )1 + + + ， 产 、 . 二 一 . 勺 嘛 卿 ， 丁护申 i-t-士 e n e r g y 图4 . 2 : 不同的模型拟合得到的数据剩余: 8 ( k e v ) ( a ) 6 .4 k e v的窄成份加单冷吸积盘线 9寸闪0闪咨申寸囚0闪咨