（天体物理专业论文）fri射电星系中大尺度喷流的多波段研究.pdf

摘要 喷流结构普遍存在于活动星系核尤其是射电星系和类星体当中。喷流作为 星系核心附近喷射出的定向、狭长、准直、高速运动的物质流，是中心母体 向外围射电瓣或射电热斑输运物质、能量以及磁场等信息的重要通道，喷流 相：向外运动的过程中高到接近光速的速度暗示着星系核心极深势阱的存在。 自1 9 1 8 年发现第一支喷流以来，对它的研究已成为当今天体物理的热点之一。 上个世纪7 0 年代发展成熟的v l a 和v l b i 设备实现了对河外喷流的射电观测， 钱德拇卫星以及x m m 牛顿等x 射线卫星逐渐揭开了喷流在高能波段的神秘面 纱，大大推进了对喷流高能波段特征的认识和研究。喷流在光学波段的对应体 一直是非常少见的，到目前为止发现的数p l 依然很少。而研究喷流的多波段能 谱分布对丁我们理解喷流的物理实质以及活动星系核中心引擎等信息非常重 要。奉论文系统分析了f r - i 射电星系大尺度喷流的多波段能谱分布。研究了喷 流的整体动力学行为。通过埘不同结点能谱辐射模型的拟和，我们取得了一些 好的结果。全文共分五章： 征第一章首先概述了喷流多波段能谱研究的重要性和意义。简要论述了河 外喷流的相对论性束流模型以及视超光速运动现象，多普勒放大效应和短时标 光变现象。在相对论性束流模型下，我们对常用于解释喷流的辐射理论模型进 行了论述，主要包括同步加速辐射机制和逆康普顿散射机制，探讨了相对论框 架下不同辐射模型的异同点。 第二章从研究喷流的多波段观测能谱分布( s e d ) 的辐射模型出发，我们首先 对多波段观测数据比较丰富的距离银河系较近的f r - i 型射电源m 8 7 大尺度喷流 的多波段观测能谱分布进行了分析和模型拟合，从能谱拟合过程中得至i j m 8 7 喷 流中不同结点成分运动的多普勒因子。计算结果表明m 8 7 是一个具有中等相对 论性喷流，视角在2 0 度n 3 0 度之间的射电强活动星系核，而且该喷流在向外运 i v 巾国科大博十论文 动的过程中表现出逐渐减速的运动学行为，与此同时喷流中不同的结点成分运 动方向与视向的夹角是不完伞相同的，喷流在向外运动的过程中具有一定程度 的弯曲。 在接下来的章节中，我们试图去建立一个f r - i 型射电星系大尺度喷流的样 本，进一步来探i f f m 8 7 大尺度喷流所表现出来的减速特征是m 8 7 所具有的独特 的行为还是普遍存在丁其它的f r - i 型射电星系的大尺度喷流中。我们建立了一 个包含1 1 个f r - i 型射电星系的样本，这些源中喷流具有多波段的观测，可以实 现喷流的运动学行为的研究。我们的光学图像来自哈勃望远镜的观测并进行了 细致的分析，图像分析方法和处i 里过程有着洋细的描述。从寄t 星系中恰当地 扣除星光的影响以斤，有8 个源出现了不可分辨的光学核，其中5 个源首次证认 出致密的光学核。我们将这些致密核的多波段能谱和以前发现的f r i 型射电星 系的致密核以及l o w e n e r g y p e a k e db ll a c 天体进行了比较，发现它们的能谱 非常相似，这种相似性证明了致密光学核起源- 丁非热同步加速辐射机制。样本 中仃3 个射电源的光学喷流可以很好地分辨，b p 3 c 1 5 ，3 c 6 6 b 和b 20 7 5 5 + 3 7 。喷 流中的光学结构和射电s n x r “结构表现出清晰的一一对应关系。我们讨论了 光学喷流的结构和信息，给出了喷流中结点的t i 7 ：嚣流量和大小等物理参数。 第四章 1 己们讨论分折了上一章得到的喷流多波段观测能谱分布，通过辐射 模型的拟合，决定出喷流中不同结点成分运动的多普勒因子，我们发现f r - i 型 射电星系中大尺度喷流在向外运动的过程中的确表现出整体减速的行为倾向。 同时我t fj 自) f 究发现射电源星系核的射电流量和光学流量具自非常好的相关性， 表明星系核的光学辐射很可能与射电辐射样起源丁同步加速辐射。核区和喷 流能谱信息的相似性也支持了这种可能性。 在最后一章我们对将要进行的工作进行了简单的论述。 a b s t r a c t j e t sc o m m o n l ye x i s ti nt h ea c t i v eg a l a c t i cn u c l e i ，e s p e c i a l l yi nr a d i og a l a x i e s a n dq s o s ，i ti sh i g h l yc o l l i m a t i o na n dh i g h - s p c c dm a t e r i a lo u t f l o wf r o mg a l a c t i cn u c l e u s i ti sa ni m p o r t a n tp a s s w a yf o rt r a n s p o r t i n gm a t e r i a l ，e n e r g ya n d m a g n e t i cf i e l df r o mt h ec o r et ot h er a d i o - l o b e so rh o t s p o t s i t sh i g hs p e e d ( c l o s e t ot h ev e l o c i t yo fl i g h t ) s u g g e s t st h ep r e s e n c eo fd e e pp o t e n t i a lw e l la tn u c l e i s i m vt h ef i r s tj c tf o m mi n1 9 1 8 ，t h es t u d yo fj e tt i e sb e ( o l n eo n eo ft h ef o n s ( s o fc u r r e n ta s t r o p h y s i c s t h ev l aa n dt h ev l b ie q u i p m e n td e v e l o p e di n1 9 7 0 s h a v em a d ed e t a i l e ds t u d yo fr a d i oj e ts t r u c t i v e p o s s i b l e t h es a t e l l i t ec h a n d r a a n dx m m n e w t o nh a d g r a d u a l l yo p e n e dt h ej e ti nt h eh i g he n e r g yw a v e b a n d m y s t i ( a lv e i l ，t a k i n gp e o p l et ot h en e wf i e l do fj e tr c , s e a r l ha th i g ht ! i l p r 窬w a v ( 一 b a n d o p t i c sj e t sh a v eb e e ne x t r e m e l yr a r e ，8 0f a rt h en u m b e rd i s c o v e r e di sv e d f e w h o w e v e r ，s t u d i e so ft h es p e c t r u me n e r g yd i s t r i b u t i o no ft h ej e t sa r ev e r y i m p o r t a n tf o ru st ou n d e r s t a n dj e tp h y s i c sa sw e l la st os t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c s o fa g nc e n t r a le n g i n e ，e t c t h i st h e s i sa n a l y z e st h em u l t i w a v eb a n de n e r 9 3 + s p e c t r ao fj e t si nf r - ir a d i og a l a x i e s ，a n dt os t u d yt h ew h o l ek i n e m a t i c sb e h a v - i o ro fj e t s b ym o d e l l i n gt h es p e c t r ao fi n d i v i d u a lk n o t sp h y s i c a l l y , s o m eg o o d r e s u l t sa r ep r e s e n t e dt h ed i s s e r t a t i o ni sd i v i d e di n t of i v ec h a p t e r s i nt h ef i r s tc h a p t e r ，io u t l i n et h ei m p o r t a n c eo fj e tr e s e a r c ha n db r i e f l yd e - s c r i b e dt h er e l a t i v i s t i cb e a m i n gm o d e lo ft h ej e t w ed i s c u s s e dt h es u p e r l u m i n a l m o t i o np h e n o m e n o na n dt h ed o p p l e rb e a m i n ge f f e c ta n dt h er a p i dv a r i a b i l i t y p h e n o m e n o n ，i nt h ec o n t e x to ft h eb e a m i n gm o d e l ，ib r i e f l yr e v i e w e dm a j o rr a - d i a t i v ep r o c e s s e si nt h ej e t ，i n c l u d i n gs y n c h r o t r o nr a d i a t i o na n di n v e r s ec o m p t o n s c a t i b e r i n g t h es i m i l a r i t i e sa n dd i f f e r e n c e sb e t w e e nt h ep r o c e s s e sa r ed i s c u a s e d v i 中国科大博- ：论文 i nc h a p t e rt w o b a s e do nt h er a d i a t i o nm o d e lo fs p e c t r a le n e r g yd i s t r i b u t i o n ( s e d ) o ft h ej e t ia n a l y z e dt h es e do ft h el a r g es c a l ej e ti nn e a r b yf r - ir a d i o g a l a x ym 8 7f o ri t sr i c hd a t a d o p p l e rf a c t o ro ft h ed i f f e r e n tk n o t si nm 8 7j e ta r e o b t a i n e db ym o d e l l i n gt h e i rs e d t h er e s u l ts u g g e s t st h a tm 8 7h a sam o d e r a t e r e l a t i v i s t i cj e t ，v i e w e da ta ni n c l i n a t i o no f2 0t o3 0d e g r e e m o r e o v e rt h ej e td e - c e l e r a t e sg r a d u a l l yf r o mi n n e rk n o t st oo u t e rk n o t s ，a tt h es a m et i m et h ev i e w i n g a n g l eo fd i f f e r e n tk n o t si nt h ej e tv a r i e s n e x t ，w ea t t e m p tt ob u i l dal a r g es c a l ej e ts a m p l eo ff r - ir a d i og a l a x i e s ，t o c h e c kw h e t h e rt h ek i n e m a t i c so ft h ej e ti nm 8 7i sc o m m o nb e h a v i o rf o rf r - i r a d i og a l a x i e so rn o t 、 r ec o m p i l eas a m p l eo f1 1f a n a r o f f r i l e yt y p eir a d i o g a l a x i e s ( f r ir g s ) w i t hn m l t i - w a v e l e n g t ho b s e r v a t i o n st oa d d r e s st h ed y n a m i c b e h a v i o ro ft h ej e t si nt h e s eo b j e c t s o p t i c a li m a g e sa c q u i r e db yt h eh u b b l es p a c e t e l e s c o p e ( h s t ) a r ec a r e f u l l ya n a l y z e d t h em e t h o da n dr e d u c t i o np r o c e d u r ea r e d e s c r i b e di nd e t a i l u n r e s o h e do p t i c a lc o r e se m e r g ei n8f r ir g sa f t e rp r o p e r l y r e m o v a lo fs t a r l i g h tf r o mt h eh o s tg a l a x i e s o u to fw h i c h5a r ei d e n t i f i e df o rt h e f i r s tt i m ( ，b r o a db a n ds p e t r a lp r o p f 、r t i e so ft h e s en e l l h + m e n t i f i c de o r n p a r t c o r e sa r ec o m p a r e dw i t ht h a tp r e v i o u s l yf o u n di nf r - ir g s a sw e l la st h a t o fl o l l 一e n e r g y p e a k e db ll a eo b j e c t st i l es i m i l a r i t yb e t w e e nt h e ma r g u sf o r t h es a m en o r t h e r m a ls y n c h r o t r o no r i g i n w e l l r e s o l v e do p t i c a lj e t sw i t hk n o t t y m o r p h o l o g i e sa r ef o u n di nt h r e ef r - ir g si no u rs a m p l e n a m e l y3 c 1 5 ，3 c 6 6 b a n db 20 7 5 5 + 3 7 t h eo p t i c a lc o u n t e r p a r t st ot h ei n n e rr a d i o x r a yj e t sa r e i d e n t i f i e da n dac l e a ro n e 。t o - o n ec o r r e s p o n d e n c eb e t w e e nt h eo p t i c a l r a d i oa n d x r a yk n o t si sf o u n d t h es t r u c t u r ea n di n f o r m a t i o na b o u tt h eo p t i c a lj e t sa r e d l s ( 1 i l h s ( d ，p h y s i f a lp a r a m e t e r ss u c ha st h ek n o t sp o s i t i o nf l u xa i l ds i z ea r ( ，a l s o p r e s e n t e d i nt h ef o u r t hc h a p t e r ，w ea n a l y z et h es p e c t r u me n e r g yd i s t r i b u t i o no fj e t s o b t a i n e di nt h el a s tc h a p t e r a p p l y i n gs y n c h r o t r o nm o d e ls i m i l a rt ot h eo n ef o r m 8 7 ，w ed r i v e dt h ed o p p l e rf a c t o ro ft h ej e td i f f e r e n tk n o t sc o m p o n e n t 、ef i n d t h a ti nt h ef r - ir a d i og a l a x i e s ，t h el a r g es c a l ej e t si n d e e dd i s p l a yd e c e l e r a t e d k i n e m a t i c sb e h a v i o r if o u n da l s oa ne x t r e m e l yw e l lc o r r e l a t e db e t w e e nt h er a d i o 英文摘要i e m i s s i o na n do p t i c a le m i s s i o no ft h ec o r e ，i n d i c a t i n gt h a tt h eo p t i c a le m i s s i o n o ft h ec o r ei so r i g i n a t e sf r o mt h es y n c h r o t r o nr a d i a t i o nm e c h a n i s ma st h er a d i o e m i s s i o n t h es i m i l a r i t yo ft h es p e c t r u mo fc o r ea n dj e ti sa l s oi nl a y o u to ft h i s s u g g e s t i o n t h el a s tc h a p t e rb r i e f l yp r e n t st h ef u t u r ew o r k l i s to ff i g u r e s 1 1 无量纲同步辐射谱函数f ( 薏) 的示意图，寿图为线性礤标电子 同步辐射的单色性特征非常明显。右图为天文学中常用的对数牮 标图。 1 2 电子的速度方向和磁场方向夹角为同一角度为0 ，在同步辐射损 耗影响下电子的分布函数具有截止能量的示意图。图中的1 为我 们表达式中的谱指数q 。该图取k a r d a s h e v ，n s ( 1 9 6 2 ) 。 1 3 无量纲的康普顿辐射谱即函数f ( x ) 的变化曲线，芹图为线性肇 标，右图为天文学中常用的对数坐标。 7 1 2 1 4 2 1 m 8 7 大尺度喷流的多波段形态，摘录自m a r s h a l le ta l ，( 2 0 0 2 ) 。 第一幅是v l a1 4 4 3 5 g h z 的图像；第- 二幅是h s tf 8 1 4 w 的观测 图像，图上表出了各个结点的大致位置；第三幅是钱德拉观测 的x 射线喷流形态；最后一幅图是钱德拉观测的x 射线喷流，其 上迭j i h s t 的等轮廓线以后的图像。 2 4 2 2 射电星系m 8 7 大尺度喷流的表面亮度分布示意图，横轴为喷 流中各个结点离核区的距离，纵轴为归一化的表面亮度，结 点a 、d 、e 等处高频和低频辐射的峰值存在明显的o f f s e t 该图摘 录自w i l s o n y a n g ，( 2 0 0 2 ) 2 5 2 3 巨椭圆星系m 8 7 核区及内外区喷流8 个结点的观测流量，该图取 自w i l s o n & y a n g ( 2 0 0 2 ) 。结点g 距离核区最远，非常延展，流量 的测量误差较大，该图给出的x - r a y 流量实际包含了光学射电结 点c 的贡献，。，。2 7 v i i i 中国科大博十论文 2 4 同步辐射的j p ，k p 和c i 模型从低频射电光学观测能谱预言x r a y 能谱的拟合谱形，这里给出的是对结点a 观测能谱的拟合结 果，输入谱指数为0 6 7 ，源程序是由p e r l m a n e s 提供的，w r i t t e n b yc h r i sc a r i l l i ，p a d d ya n dc o l l a b o r a t o r s 。3 l 2 5 对内外区8 个结点多波段能谱进行独立拟合的结果， 3 3 2 5 c o n t i n u e d ：3 4 2 5 c o n t i n u e d ：、3 4 2 5 c o n t i n u e d ：，3 5 2 6m 8 7 大尺度喷流中不同结点成分多普勒因子6 的分布趋势，a ，b ，c 为外区喷流的辐射成分，h s t l ，d e ，f ，l 为内区喷流成 分，6 在内外区喷流的交界处增大，出现喷流的整体再推动。 3 6 2 7 由成像观测的视向超光速五，和能谱拟合给出的多普勒因子6 确定 视角日和洛仑兹因子r 的范围。，3 7 31w f p c 2 仪器的空间视场示意图，数据的输出方向为每个c c d 上 表出的箭头方向，相邻c c d 的数据输出方向相差9 0 度。取 自w f p c 2 仪器数据分析手册。 3 2 寿图是3 c1 5 在v b a n d ( f 5 5 5 w ) 的观测图像，宁宙线己经被剔 除。右图足扣除本底星系星光以后的残差图，图像做了口= l p f 。“的高斯甲滑。图像的大小为1 0 5 ”1 1 4 ”观测图像的倾角 为1 1 5 5 0 。 3 2c o n t i n u e d ：3 c 1 5 射电喷流结构形态，8 3 g h zf i t si m a g ep r o v i d e d b yl e a h y a ， 3 2 c o n t i n u e d ：3 c 1 5 x - r a y 喷流结构，摘录自k a t a o l c ae ta 1 2 0 0 3 a 3 3 射电源3 c1 5 光学喷流的计数率轮廓，f 5 5 5 w 3 4 寿图是3 c 6 6 b 在v - b a n d ( f 5 5 5 w ) 的观测图像，宇宙线已经被剔 除。右图是扣除本底星系星光以后的残差图，图像同样做 了口= l p i x e l 的高斯平滑。图像的大小为1 4 6 ”x1 5 0 ”观测图像 的倾角为1 1 6 5 0 。 盯 n 船 s ；弱 ：2 l i s to ff i g u r e si x 3 5 射电源3 c 6 6 b 光学喷流的计数率轮廓，f 5 5 5 w 5 6 3 6 射电源b 20 7 5 5 + 3 7 射电喷流和光学喷流结构形态，x r a y 的像素 大小为0 0 9 8 角秒，做了口= 2 p i x e l s 的平滑，图像上的等轮廓线 足1 6 g h z 的射电观测结果。摘录自w o r r a 1e ta 1 ( 2 0 0 1 ) 5 7 3 7 左图是b 20 7 5 5 + 3 7 在v - b a n d ( f 5 5 5 w ) 的观测图像，宇宙线已经 披剔除。右图是扣除本底星系星光以后的残差图，图像同样做 了口= 3 p i x e l s 的高斯平滑。图像的大小为1 1 f x1 2 观测图 像的倾角为1 3 5 5 0 。 5 8 3 83 c 3 1 在x r a y 波段的观测图，右侧是c h a n d r a 卫星观测剑的x r a y 喷流结构，左侧的c h a n d r a 图像上迭加了8 5 g h z 的射电等轮 廓线，该图取自h a r d c a s t l ee ta 1 ( 2 0 0 2 b ) ，5 9 3 93 c 3 1 在w f p c 2 仪器p c 片上的光学观测图像，观测波段是v - b a n d ( f 5 5 5 w ) ， 图像上的尘埃结构清晰可见。 6 0 3 1 0 左图为v l a1 5 g h z 的3 c 3 0 3 射电喷流观测图，右侧为0 4 - 8 k e y 波 段的成像图。a ，b ，c 为喷流的结点结构，h s a 2 h s a 1 为热斑 结构。 6 2 4 13 c 6 6 b 射电喷流和x - r a y 喷流的计数或流量轮廓，竖的虚线表示 各个结点距离核区的大致位置。摘录自h a r d c a s t l ee ta 1 ( 2 0 0 1 b ) 7 0 4 23 c 6 6 b 喷流中5 个结点能谱分布形态，星号为观测流量，其中射 电和x 射线数据取自h a r d c a s t l ee ta 1 ( 2 0 0 1 b ) ，光学波段数据来 自测光处理过程。实线为同步辐射模型的拟合能谱。横牮标 为l o g v ( h z ) ，纵坐标为l o g v ( e r g s c n - 2 ) 7 1 4 33 c 1 5 喷流中结点a & b 和c 能谱分布形态，星号为观测流量。k n o t c 的 射电和x 射线数据取自k a t a o k ae ta 1 ( 2 0 0 3 ) ，结点a & b 的射电数 据来自v l a 图像的测光，x 射线数据来自钱德拉图像光子计数的 转换，两者的光学数据来自w f p c 2 图像的测光过程实线为同 步辐射k p 模型的拟合能谱，7 4 x 中国科大博十论文 4 4m 8 4 在5 g h z 的观测结果，迭加其上的足x - r a y 观测的等轮廓线。 摘录宜h a r r i se ta l ( 2 0 0 2 b ) ，7 5 4 5m 8 4 在f 5 4 7 m 滤波片处的w f p c 2 观测图像，大量不规则的坐埃 结构清晰可见。， ，7 6 4 6m 8 4 喷流中结点n 2 5 和n 3 3 能谱分布形态，菱形为观测流量，向 下的箭头为光学流量的上限，来自光学图像的测光过程，射电 和x 射线数据取自h a r r i se ta 1 ( 2 0 0 2 b ) 。实线为同步辐射k p 模型 的拟合能谱，。7 8 4 73 c 3 0 3 喷流中结点k n o t b 和k n o t c 能谱分布形态，菱形为观测流 量，向下的箭头表示光学流量的上限，来自w f p c 2 图像的测光 处理过程，射电和x 射线数据摘录自k a t a o k ae ta 1 ( 2 0 0 3 ) 。实线 为同步辐射k p 模型的拟合能谱，。，。，8 0 4 83 c 1 2 9 在8 g h z 的v l a 观测图，等轮廓线是c h a n d r a 的观测结果。 摘录自h a r r i se ta 1 ( 2 0 0 2 a ) ，8 2 4 9 c h a n d r a 观测的x r 光子计数的图像。标出的是提取流量的区域 定义， 8 2 4t o3 c 1 2 9 喷流中结点n 2 3 和n 50 能谱分布形态，菱形为观测流量， 向下的箭头表示光学流量的上限，来自w f p c 2 图像的测光处理 过程，x 射线数据来自光子计数的转换射f u 数据来自v l a 图像 的测光。实线为同步辐射k p 模型的拟合能谱， 8 4 4 1 1 光学c o r e ； t l 射电c o r e 的线性关系。d i a m o n di st h e1 8s o u r c e so f c h i a b e r g e c a p e t t i c e l o t t i ( i o o o ) a n dt r i a n g l ep r e s e n t st h e s o u i c e s o fo u rs a m p l e ，f o rs o u r c e sa r eo v e r l a p e d ( 3 c 6 6 b ，3 c 2 7 0 ，m 8 4a n d 3 c 2 9 6 1， 8 8 5 1 5 1 s p e c t r u m 9 7 9 7 l i s to f 乃b l e s 2 1 同步辐射k p 模型最佳拟合的模型参数 2 2 喷流内区结点同步辐射模型的物理参数 3 1 w p f c 2 仪器上四个照相机的状态参数 3 2 1 f p c 2o b s e r v a t i o n sf o ro u r s a m p l eo ff r i r g s 3 3 f r - i 型射电星系样本的测光结果 4 1 射哇三源大尺度喷流k p 模型最佳拟合的模型参数 4 2 f r - i 射电星系喷流的多波段观测数据 拈 勰 钳 融 ；8 致谢 每当我面对璀碟的星空的时候，深邃而广袤的宇宙使我感到内心的宁静远离 世间的纷扰康德的名言，”世界上有两件东西最能震撼人们的心灵，一件是我们心 中崇高的道德准则，另一件是我们头顶上灿烂的星空”静下心来做天文方面的研 究是一件充满乐趣的事情，但领晤到这一点却并不容易。这首先要感谢我的导 师王挺贵教授的指引。 值此论文完成之际，我首先要真诚地感谢我的导师王挺贵教授。正是王老师 的循循善诱使得我能够成为天文方面研究的一个分子。乇老师出色的学术成 就高尚懦雅的人品以及清晰严密的思维都令我受益非浅。几年来，王老师住 卣忙之中，抽出时间来进行指导和鼓励，对丁我的愚钝耐一心地不厌其烦地进行 开导，培养了我科学严谨的研究态度和作为一个研究工作者必备的素质。我所 取得的每一个进步都离不开王老师的指导和帮助，都凝聚着王老师的心血和汗 水。王老师敏锐的思维、严密的逻辑以及宽广的知识面令我十分钦佩，也是我 今后学习的榜样。 存此我还要感谢周宏岩媾士，为我文章的修改花赀了很多时间和精力。他 就象大哥哥一样在思想认识和专业知识等方面为我提供了宝贵的财富。周宏岩 给我的指导和帮助无微不至的，在工作极为繁忙的情况下，从工作思路的探 讨，科学的讨论以及文章的发表都给我以莫大的帮助。 感谢将我领进天文学科门槛的启蒙老师周又元院士。周先生知识渊博，品 德高尚，淡泊名利，是一位高尚的科学家。周先生严谨的治学态度和高尚的为 人品德是我今后学习、科研工作的楷模。感谢王俊贤教授在天文软件使用上给 我的热心帮助，使得我的图像数据处理工作能够顺利进行。感谢王春成老师有 益的讨论和科学的指导以及对我生活上的关心。 i i 中国科大博十论文 感谢天体物理中心的张家铝、褚耀泉、向守平、朱杏芬、张扬、袁业乜、 林宣滨等各位老师的悉心指导和有益的讨论，他们渊博的知识，严谨的治学念度 都使我受益非浅。感i 射天体物理中心办公室的陆山工程师和奚伟红女士。感谢 张雪光，董小波、戴海峰、吴胜杳、张伟、乇慧元、卢昱、纪拓、史菲等诸位 师兄弟有益的讨论和热心的帮助。感谢我的朋友董敏、高晓丽、许兴艳、孙东 云以及远在日本的霞咪，感谢她们带给我真挚的友谊和快乐美好的时光，使我 的研究生生活更加精彩，共同走过的美好岁月是我一生中永不褪色的回忆。 感谢国家天文台的魏建彦研究员和胡景耀研究员，感谢郝彩娜、王竞、曹 晨等同学，为我在北京学习图像数据处理期间提供的热心帮助和在生活上的照 顾。 最后，我要特别向远方的父母致谢，感谢他们多年来的养育之恩。同时也 感谢我的先生曹汉军给予我精神上和物质上的鼎立支持，在面对浩瀚宇宙的同 时，让我深深体会剑了亲情的崇高和伟大。 感谢所有未能一一提及姓名的人们，感谢他们所带来的想法和感动。 第一章 活动星系核中喷流的观测现状和辐射 理论 1 1 引言 喷流结构普遍存在于射电星系和类星体当中( e g ，b r i d l e p e r l e y1 9 8 4 ) ，它 是从星系核心附近喷射出的定向、狭长、准直、高速运动的物质流，是中心 母体星系向外尉射电瓣或射电热斑输运物质，能量以及磁场等信息的重要通 j 酋( k e m b h a v i & n a r l i k a r1 9 9 9 ) 。喷流结构普遍存在于活动星系核中，它也是目 前探测器能直接分辨到的活动星系核中为数不多的部分之一。在活动星系核 中。喷流结构的空间取向常常可达到几百个k p c 的尺度，住v l b i 的观测中也发 现了p c 尺度上的喷流结构。喷流高到接近光速的速度同时表明星系核心极深势 阱的存在( 卢炬甫，1 9 9 6 ) 。因此对喷流的研究和探索能够为我们提供更多的关 于活动星系核中心引擎的信息，帮助我们理解星系核心区域的性质特征。 c u r t i s ( 1 9 1 8 ) 发现了第一支河外喷流具有光学波段的辐射，即射电星 系m 8 7 ( n g c4 4 8 6 ) 中的喷流，b a a d e & m i n k o w s k i ( 1 9 5 4 ) 对之进行了详细的讨 论和研究。在射电波段h a z a r d m a c k a y s h i m m i n s ( 1 9 6 3 ) 观测到了3 c 2 7 3 中的 喷流结构。v l a 设备的发展成熟探测到了数目更多、形态多样的喷流结构。在 弱射电星系中喷流在星系核的两侧往往表现为双侧结构且亮度相近( e g ，m 8 4 ， w r o b e le ta l1 9 9 6 ) ，中等强度的射电星系中常常只能观测到单侧喷流或另一支 喷流非常暗弱( 例如n g c 6 2 5 1 中的单侧喷流，j o n e s w e h r l e 1 9 9 4 ) ，在强射电 2 中国科大博士论文 星系中则很难探测到喷流结构。喷流作为从星系核心区域喷射出的高速运动的 物质流普遍存在丁射电星系和类星体之中，它与中心母体和外围的射电结构往 往处于共线状态( b e g e h n a n ，b l a n d f o r d & r e e s1 9 8 4 ) 。它是外围射电瓣或射电 热斑与中心母体星系之间存在物理联系的有力证据之一，对喷流的研究有利于 揭示从中心母体到外围射电结构之间能量的输运机制以及有助丁决定喷流自身 的一些物理特征( n e r o n o v & s e m i k o z2 0 0 3 ) 。同时喷流也是高能粒子加速的有效 机制之一，对喷流全波段尤其是高能波段的性质进行研究有助于我们确定高 能粒子的加速位置以及加速机制( ( b e r e s n y a ke ta 1 2 0 0 3 ) 。喷流的研究对了我 们理解活动星系核内部物理过程和辐射机制起着举足轻重的作用。自从天文 学家发现第一支河外喷流以来，喷流虽然以其奇特的性质吸引着众多科学家 的兴趣和目光，但由于天文观测设备的限制，对喷流的研究一直局限丁射电 和光学等低能波段的观测与研究( e g ，f e d o r e n k o & c o u r v o i s i e r1 9 9 6 ，b r o d i ee t a 1 1 9 8 5 ) 。所幸运的足，1 9 9 9 年上天的钱德托x 射线卫星，凭借其良好的空间 分辨率和灵敏度目前已经能够探测到一批河外星系喷流中的高能x + r a v 辐射成 分( e g ，3 c 3 4 6 w o r r a l l b i r k i n s h a w2 0 0 5 ；m 8 7 ，p e r l m a n & w i l s o n2 0 0 5 ) 。从 而打破了喷流长期以来局限于低频波段研究的历史，开创了在高能波段研究喷 流性质的新纪元，使得我们对喷流的高频波段进行研究成为可能。同时哈勃空 间望远镜h s t 优越的分辨率( 0 1 角秒) 使得我们可以去探讨喷流在光学波段的细 致特征和结 句。从而使得喷流在多波段的研究工作变为现实。 1 2喷流中的相对论性效应 理论上，束流运动的相对论性效应尤其是视流量的放大作用在视角比较小 的b ll a c 天体中有着极为明显的表现( e g ，k o l l g a a r de ta l ，1 9 9 6 ；f a n1 9 9 9 ) ，在 射电星系的喷流观测中亦有体现( e g ，j a v a d & w i i t a1 9 8 3 ；r e e s1 9 7 8 ) 。也就是 说活动星系核中出现双侧喷流亮度的不对称性原则上可以用高速运动光源的多 普勒效应( d o p p l e rb e a m i n g ) 来解释。假设喷流整体相对论运动的速度为反。 洛仑兹因子为r ，同时假定喷流运动速度与观测者视向的夹角为o j 。那么相应 的多普勒效应因子为d = 1 ( r ( 1 一岛。t c o s # j 。) ) 。对两支本来内秉辐射强度相同 的喷流而言，当其中支相对论性喷流的运动方向近于视向( 即p 。较小，而6 较 第一章1 活动军系核巾喷流的观测现状和辐射理论 3 大) 时迎向源被接受到的辐射流密度即视流量得到大大加强，被放大：而同 时背向源视流量则被减弱。对于连续喷流的模型而言，两者观测强度的比为 心。r - i 十- # 脚c 0 5 s 口# 】- ( 口+ 2 ( 1 1 ) 对丁| 结点结构的喷流模型而言，两者观测强度的比j r 表达式中的指数变 为3 + n ( b l a n d f o r d & k o n i g 1 9 7 9 ) 。相差可达i 0 3 一1 0 4 倍，这种多普勒效应 的极端情形是观测中单侧喷流的出现( w i i t a s i a h1 9 8 1 ) ，即只能看到迎向我 们运动的这支喷流而背离视向运动的另外一支喷流根本看不到。活动星系核 的子类b l a z a r 天体很可能就是喷流接近于沿视线方向运动的极端情形。相对论 性喷流在观测上所带来的另外一种现象为视超光速运动( e g ，k e l l e r m a n ne ta 1 2 0 0 3 ：i s t o m i ne ta 1 1 9 9 8 ) ，喷流的运动速度为卢m ，运动速度与测者视向的夹角 为p 。，那么观测者观测剑的速度为 风的：# 譬竺j ( 1 2 ) l n c u 5 0 j 观测速度3 0 b 在岛= c o s _ 1 岛时到达最大值，v j ( 1 一伊) 1 2 ，当喷流以相对论性速 度运动时，该最大值很容易大t 1 ，带来观测上的视超光速运动现象。运动速 度衍n 视角0 结合观测给出的视超光速运动速度u d 。常常用来估算喷流分离的速 度和与视向的夹角( j o n e s1 9 8 6 ；w o r r a l le ta 1 2 0 0 4 ) 。另外观测到的一些天体 的快速光变现象很可能也与喷流的相对论性运动台关( t r a v i s & m a r s c h e r1 9 8 9 ； r o m e r o1 9 9 5 ) ，有些活动星系核的光变时标太短，以至丁决定出的辐射区 特征尺度r