（天体物理专业论文）窄线seyfertⅠ星系的多波段研究.pdf

摘要 窄线s e y f e r ti 型星系( n a r r o wl i n es e y f e r t1g a l a x i e s ，n l s l s ) 的允许线仅仅略 宽于禁线，而其它的观测特性( 红外和射电性质) 和正常的s e y f e r ti 星系( b o a r d l i n es e y f e r t1g a l a x i e s ，简称b l s l s ) 基本类似，和s e y f e r ti i 星系有很大程度上的 差别n l s l s 有着非常特殊的x - r a y 观测特性，随着x r a y 天文学的发展，日益 引起人们的注目 。 本文首先介绍了多波段天文学发展的历史由于研究的需要，其中着重介 绍了国际紫外探测者( i u e ) ，空间望远镜( 日兰! ) ，日本飞鸟x - r a y 卫星( a s c a ) 三个卫星的仪器性能 黔二章中，我们总结了n l s l 多波段的观测特性以及统计相关性窄的 线是翁们把它们作为s e y f e r ti 星系一个新的子类的原因r o s a t 和a s c a 卫 星的观测表明，n l s l s 具有强的s o f tx - r a y 辐射，即陡的r o s a t 谱短时标的 光变和光变中的闪耀结构显示n l s l s 具有强的活动性n l s l s 的毗f w h m 和 x r a y 连续谱指数o t x 延续了b l s l s 中的相关性，但是仅仅局限于n l s l s 本身没 有相关性嘞和o t x 的相关性可能是中心黑洞的物理参数的联系n l s l s 中内 禀的x - r a y 电离吸收要比b l s l s 中小，同时电离态低 i u e 卫星在其漫长的历史中积累了大量的观测数据i n e s 系统基于国际 互联网技术的基础上，为天文学家方便地使用天文卫星的数据和国际合作提供 了一个有益的实例我们在安装i n e s 系统的基础上，着重研究了i u e 卫星观测 的n l s l s 紫外谱线的观测特性和多波段统计相关性我们的样本来源于w a n g ，l u z h o u ( 1 9 9 8 ) 的低红移a g n s 和我们通过i u ei n e s 系统找到的1 5 个n l s i s 源 我们的工作得到如下的结果： 郫f w h m ，f ei i l y a ，和o x 之间的强相关被肯定 u v 谱线参数，ci v ，l y a 的等值宽度和它们的线比cw l y e 和光学谱线参 数没有相关性 u v 和x - r a y 光度和h 口f w h m ，f ei i 存在强的相关性 f w h m 和a i ，之间没有相关性 窄的线是搭建n l s l s 的理论模型的出发点造成谱线窄的可能因素主 要的物理参数是吸积率和观测视线的角度用视线角度可以解释n l s l s 的大部 分的现象，包括x r a y 谱指数和的相关性，光变，s o f te x c e s s 和n l s l s 的吸 收等等同时假设的分离的b l r 模型对于n l s l s 的紫外谱线的很好进行描述 n l s l s 理论模型应该和观测角度相关，但是是否是主要的影响因素，还要靠进 一步的观测加以证实和黑洞物理参数相关的模型解释n l s l s 比较自然，也是 我们期望的尤其是n l s l s 的x r a y 非常独特的观测特性，而这些观测和吸积盘 的结构，中心黑洞的物理参数等密切相关光致电离模型虽然可以很好的描述 a g n s 的宽线区的物理状态，但是n l s l s 窄的线对于我们细化a g n s 的理论 有很大的帮助 n l s l s 和l o - b a l q s o s 存在着很多的相似的观测特性在文章的最后，我们 介绍了n l s l s 和l o - b a l q s o s 可能的联系，以及我们正在进行的工作y a b s t r a c t n a r r o w - l i n e s e y f e r tlg a l a x i e s ( n l s l s ) a r e c h a r a c t e r i z e db yb a l m e rl i n e sw h o s ef w h m i ss m a l l e rt h a nt y p i c a ls e y f e r tlg a l a x i e s ，s l i g h t l yb r o a d e rt h a nt h ef o r b i d d e nl i n e s o n et h e o t h e rh a n dt h e ya r ec l e a r l yd i f f e r e n tf r o ms e y f e r t2g a l a x i e ss i n c et h er a t i oo f or a j a s 0 0 7 t oh 8i s 3 n l s l sw e r ef o u n dt oe x h i b i te x t r e m ex r a yp r o p e r t i e sw h e nc o m p a r e dw i t h b l s l s t h e i rd i s c o v e r yi nl a r g en u m b e r si nx r a ys u r v e y s ，h o w e r v e r ，h a se l e v a t e dt h e mt o ar o l ea si m p o r t a n tm e m b e r so ft h ea g n sf a m i l y , o n e sh o l dm a n yk e y st ou n d e r s t a n d i n g t h ep h y s i c so fa g n s t h ef i r s t c h a p t e ri sa ni n t r o d u c t i o n t h eh i s t o r ya n dt h ec u r r e n ts i t u a t i o no fm u l - t i w a v e l e n g t ho b s e r v a t i o n sa r er e v i e w e d d u et ot h er e s e a r c he x p e r i e n c e s ，w ei n t r o d u c e d i u e h s t ，a s c a t h r e eo b s e r v a t i o n sl nm o r ed e t a i l w es u m m e r yt h em u l t i w a v e l e n g t ho b s e r v a t i o np r o p e r t i e sa n dc o r r e l a t i o n so fn l s l s i nt h es e c o n dc h a p t e r s p e c i a l l yi nx r a yw a v e b a n d t h ea s c aa n dr o s a to b s e r v a t i o n s s h o wt h ee x t r e m es o f t x - r a ye x c e s sa n dt h eg e n e r a l l ys t e e p e rh a r dx r a y c o n t i n u ao f n l s l s t h es h o r td o u b l i n gt i m es c a l e so fn l s l si sd o w nt oa b o u t1 0 0 0 s t h e i rx - r a y l i g h tc u r v e sc a nb ec h a r a c t e r i z e db ys t r o n gf l a r i n ge v e n t s c o m b i n i n g t h ed a t ao fn l s l s ， t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nh 口a n d 口xi sv e r ys t r o n g b u tl i m i t e di nt h en l s l st h e m s e l v e s ， t h ec o r r e l a t i o nd i s a p p e a r e d i tm a y b ei n d i c a t et h a tt h eh 8f w h ms h o u l db es os t r o n g l y t i e dt ot h ep h y s i c a lp a r a m e t e r so ft h ec e n t e rm a c h i n e s i tw a sf o u n dt h a tw a r ma b s o r b e r s a p p e a r st ob et y p i c a l l yl e s sc o m m o ni nn l s l sa n ds o m ee v i d e n c ew a sf o u n dt h a tt h e t y p i c a l i o n i z a t i o ns t a t ei sl o w e rc o m p a r e dw i t hb l s l s i nt h ee n d i ueh a da c c u m u l a t e d1 0 4 、4 7 0s p e c t r ai m a g e sd u r i n g1 8 5y e a r so fi n - o r b i to p e r a t i o n s b a s i n go nt h e b r l dw i d ew e b i n e ss y s t e mi st h es u c c e s s f u le x a m p l e o fp r o v i d i n gt h ee a s ya s t r o n o m i c a ld a t ar e d u c t i o na n dc o o p e r a t i v ep r o j e c t a f t e rw e i n s t a l l e dt h ei n e ss y s t e mo fu s t c w em a i n l yi n v e s t g a t et h eu vp r o p e r t i e so fn l s l s a n dm u l t i w a v e l e n g t hc o r r e l a t i o no fn l s l s o u rs a m p l ei sah e t e r o g e n e o u ss a m p l eo f8 1 l o wr e d s h i f ta g n sw h e r e1 5a r en l s i sa n d6 6a r eb l s i s w jc r o s s - c o r r e l a t e dt h en l s l s s o u r c ew i t hi n e sa n df o u n d1 5n l s l ss o u r c e sw h i c hh a db e e no b s e r v e db y ，驴e 0 u r i n n i nr e s u l t ss u m m a r i z ea sf c l l l o w s ： t h e s t r o n gc o r r e l a t i o n sa m o n g t h ef w h mo fh 卢，f ei i l y a ，a n d 口xa r ec o n f i r m e d - t h eu vl i n e sp a r a m e t e r s b o t ht h ee w so fl y aa n dc i va n dt h ec i v l y ar a t i od o n o ts e e m st oc o r r e l a t ew i t ho p t i c a ll i n ep a r a m e t e r sf o rt h ew h o l es a m p l e t h eu va n dx r a yl u m i n o s i t i e ss t r o n g e l yc o r r e l a t ew i t ht h ef w h m o fh 卢a n dt h ef e , , h z r a t i o n oc o r r e l a t i o ni sf o u n db e t w e e nt h ec o n t i n u u ms p e c t r a ls l o p ea i xa n df ei , h 卢a n d f w h m o f h e t h es t a r to fn l s l st h e o r i c a im o d e ii sb a s e do nt h en a r r o w e re m i s s i o ni i n e st h a n b l s l s am o d e lb a s e do naf a c e o no r i e n t a t i o np o s s i b l ye x p l a i n st h en a r r o we m i s s i o n l i n e s ，r a p i dv a r i a b i l i t y ，s t r o n g e rs o f te x c e s sa n dl e s sf r e q u e n tw a r ma b s o r b e r s t h es e p e r a t e db l rm o d e ic a nd i s c r i b et h eu ve m i s s i o nl i n e so fn l s l s n l s l sm o d e l so u g h tt o r e l a t ew i t ht h eo r i e n t a i t o n b u ti t i sd o u b t f u lw h e t h e ri ti st h eb r i e fr e a s o na n dn e e dt h e f u t u r eo b s e r v a t i o n si ti sn a t u r e l yt h a te x p l a i nt h eo b s e r v a t i o n sb a s e do np h y s i c a lp a r a m - e t e r s ，s u c ha sm m e d d ，m b h a l t h o u g ht h ep h o t o i o n i z a t i o nm o d e li sq u i t es u c c e s s f u li n d i s c r i b i n gt h ep h y s i c sc o n d i t i o no fa g n sb l r ，b u tt h em o d e l s f o rt h en l s l sa r eb e n e f i t t ot h eu n i f i e dm o d e l so fa g n s i nt h el a s tc h a p t e r w ed i s c u s st h a tt h ep o t e n t i o n a lc o n n e c t i o n sb e t w e e nl u m i n o u s n l s l sa n dl o - b a l q s o sv i at h e i rp h e n o m e n o l o g i c a lp r o p e r t i e s 弩r e p r e s e n to u rp r o 。 c e e d i n gr e s e a r c ho ft h eu vo b s e r v a t i o n sb v 日s t 第一章多波段天文观测发展简介 我们建立理论时所依据的观测，不是拐杖而是支柱恒星演化理论要在正 确的道路上前进，就必须先树立这根支柱 k s c h w a r z s c h i l d ( 1 9 5 8 ) 恒星的结构和演化 即使在现今的宇航时代，我们对于天体的了解几乎完全建立在接受到的天 体的电磁辐射上二十世纪四十年代以前，天文观测局限于狭窄的地面光学观 测波段1 9 3 2 年，央斯基( k g j a n s k y ) 首先利用无线电天线探测到来自银河 中心的射电辐射，打开了在传统的光学波段之外进行天体物理观测的第一个窗 口多波段天文观测的开始标志了现代天文学的产生来自天体的辐射要穿过 地球的大气层，地球的大气既减弱了天体辐射的强度，又改变了天体辐射的能 谱由于地球大气的消光作用，对天体的紫外辐射，x - r a y 辐射和7 一r a y 辐射，以 及大部分红外辐射，波长大于3 0 米的射电辐射的观测必须在大气之外进行多 波段观测的发展，除了与观测仪器的发展密切相关外，还有赖于空间运载工具 的发展6 0 年代以来，随着探测仪器技术、空间技术和计算机技术日新月异的 发展，天体物理观测得到的频谱几乎扩展到整个电磁波段每一个新的电磁波 段观测的开拓，我们都会发现新的观测对象空间天文学经历了从无到有，到 繁荣的发展过程，空间天文学的发展也使得我们进入了全波段天文学的时代 活动星系核是难得的可以同时观测从射电到1 r a y 波段辐射的天体全波 段观测是全面了解其动力学结构、物理过程及其各亚类天体关系的基础活动 星系核作为最典型的多波段天体的原因在于它是远离非热平衡的辐射一方面 它在宽波段中不同中心频率附近的单位对数频率辐射功率差别一般不超过l 2 量级；另一方面，不同区域的尺度和致密度差别很大发射频率的不同，内部 的致密区辐射高能的x r a y 和7 - r a y 光子，由于高穿透性外区对其吸收不大，这 种透明性使内部辐射可以直接到达到达观测者，而不象热平衡的恒星内部高温 区的光子必须通过辐射转移过程这样，通过多波段观测可以直视活动星系核 从外到内的结构，成为研究天体复杂结构、多种发射机制以及建立统一模型的 典型天体 第一章多波段天文观测发展简介 2 本章中，我们将按照不同波段分类，简单介绍现今主要的多波段观测仪器 尤其是后面课题主要所需的紫外观测卫星i u e ，空间望远镜h s t 和a s c ax r a y 天文卫星的介绍上 1 2光学和紫外天文观测的发展 人眼只能感受光学波段的辐射，因而在漫长的天文学发展史上，尤其是在 照相术发明以前，光学天文观测是唯一的观测波段以射电望远镜发明标志射 电天文学的兴起，它兴盛于上个世纪的六、七十年代空间科学的发展，使得 人们期望光学观测能摆脱大气层的影响不仅使我们可以得到更清晰的图象和 高质量的光谱，对于遥远的活动星系核的观测产生了质上的影响，而且可以扩 展到其他波段这样可以避免需要不同观测仪器载体的麻烦，还可以获得同步 观测的结果，用来比较观测源中紫外波段和光学波段代表的物理过程的异同 1 2 1 国际紫外探测者卫星i u e 紫外波段( u l t r a v o i l e t ) 是天文观测的重要“窗口”之一1 9 7 8 年以前，人们 通过气球、火箭把紫外探测器运送到大气层之外，对于个别的天体进行过少量 观测1 9 7 8 年1 月2 8 号“国际紫外探测者”( i n t e r n a t i o n a lu l t r a v o i l e te x p l o r e r ) 卫 星的的发射上天，标志着紫外天文学的发展到了一个崭新的时期i u e 卫星也 是人类航天史上最成功的航天器之一原定仅仅观测5 年的i u e 卫星在1 9 9 6 年 9 月3 0 日才完成了它的使命在它长达1 8 年的观测时间内，积累了1 0 4 ，4 7 0 条 各类天体的紫外观测谱i u e 卫星由美国国冢航空和航天局( n a s a ) 、欧洲航 天局( e s a ) 以及英国科学和工程研究协会三家管理，面向全世界科学家开放 它是第一个同步轨道上的天文卫星，同时也是第一个可以自由申请观测项目的 天文卫星作为一个重要的国际合作项目，i u e 卫星充分考虑了观测者的使用 方便，处理卫星紫外观测谱的天文学者不需要了解卫星的操作和运行方法，允 许更多的学者可以利用卫星的数据进行科学研究 i u e 卫星望远镜的主镜为4 5 c m ，所覆盖的波长范围是1 1 5 0 3 3 0 0 h ，极限 星等为1 7 m 5 卫星上栽有两种不同功能的摄谱仪，分别工作在短波段和长波 段每一种摄谱仪除了有一只主相机之外，还有一只备用相机通常将短波相 机( s w p ) 和长波相机( l w p ) 作为标准的探测器长波备用相机( l w r ) 有些问 题，但仍可以使用，不过灵敏度有所降低；短波备用相机( s w r ) 则因为失控无 j 2 光学和紫外天文观测的发展 表1 1 ：i u e 相机的波长覆盖范围 高色散低色散 相机全部覆盖部分在盖 s w p1 1 4 5 1 9 3 0 a1 9 3 0 2 1 9 0 a1 1 5 0 1 9 7 5 h l 、v r1 8 4 5 3 1 0 6 a3 1 0 5 。3 2 3 0 a1 8 6 0 3 3 0 0 a l 1 p1 8 4 5 2 9 8 0 a2 9 8 0 。3 2 3 0 a1 9 1 0 3 3 0 0 a 3 法启用i u e 卫星各相机的波长覆盖范围见表11 在1 8 年的观测过程中，卫星完成了全部的科学目标： 观测各种光谱型恒星的高分辨率谱，以期更精确地确定这些光谱型的物理 参数 研究双星系统中的外流和内流气体的运动 观测暗的恒星、星系和类星体的低分辨率谱，并且和高分辨率谱对照 观测行星和彗星的紫外谱 对于存在光变的源进行重复的观测和监视 更精确地确定由于星际气体和尘埃吸收造成的星际红化改正 1 2 2 哈勃空间望远锈h s t 1 9 9 0 年4 月2 5 日升空的空间望远镜以美国天文学家埃德温哈勃命名这 架光学望远镜的主镜口径为2 4 米，总重量为1 1 6 吨，轨道半径约为6 0 0 k m ，绕 地周期为9 6 分钟由于人为原因造成的主镜光学系统的球差，使得望远镜初期 的z - 作不尽如人意1 9 9 3 年1 2 月，n a s a 成功地在轨道上进行了维修工作，更 换了若干仪器，矫正了系统像差，分辨率比原先设计还有提高，使得望远镜可 以把7 0 以上的光聚在o 1 角秒内，接近物理学衍射定律决定的极限由于没 有大气的干扰，空间望远镜可以提高极限星等和分辨本领尤其是由于在地球 轨道上，h s t 可以工作在紫外、光学和缸外波段哈勃空问望远镜现有5 台科 学仪器，包括两台摄像仪，两台光谱仪和一台高速光度计工作波段从1 0 8 7 a 的 紫外光到1 1 ，o o o h c j 近红外光 广角行星照相机w i d ef i e l d p l a n e t a r yc a m e r a ，简称w f p c 由4 块c c d 组 成，按照光路的不同可以配置成视场2 6 的广角模式和视场1 1 的“行星” 模式1 9 9 3 年h s t 维修的时候，更换了新的照相机( 简称w f p c i f ) 新仪 器和原先的设计类似，不过两个模式可以同时进行拍摄，另外仪器附加了 第一章多波段天文观测发展简介 4 一套光学补偿系统，可以改正主镜的球差 暗天体照相机f a i n t0 b j e c tc a m e r a ，简称f o c 这台高灵敏度的摄像仪可在较 小的视场内达到很高的分辨率因为附有多种滤光片和物段棱镜，仪器适 用于单色像以及暗弱点源观测 暗天体光谱仪f a i n to b j e c ts p e c t r o g r a p h ，简称f o s 它由两套中、低色散度的 光栅系统及与之对应的光敏探测器阵列组成其总的工作波长范围在1 2 0 0 到9 0 0 0 a 之间，光学分辨本领则由1 0 0 到1 3 0 0 不等，除了适用于晴天体的较 大光谱范围内的分光观测以外，它还可以进行偏振测量 高分辨率光谱仪g o d d a r dh i g hr e s o l u t i o ns p e c t r o g r a p h ，简称g h r s 重要工作于 紫外( 1 2 0 0 3 2 0 0 a ) 光谱波段的分光仪器这台仪器利用平面和阶梯反射光 栅的组合，在紫外可以达到1 0 5 的分辨本领( a a ) 高速光度计h i g hs p e e dp h o t o m e t e r ，简称h s p 主要用于在紫外和光学波段作 高速测光，以分析短时标的光变现象 h s t 上每台仪器都设计成可以相互独立的组装插件，当仪器出故障或者不 再是最先进的仪器时，可以单独被替换而不影响其他仪器设备“第二代仪器” 已经换装到空间望远镜上，包括了两台设备：“空间望远镜成像光谱仪”( s p a c e t e l e s c o p ei m a g i n gs p e c t r o m e t e r ，简称s t i s ) ，将成像和成谱功能集中在一台仪器 中；另一台是“近红外照相机”( n e a ri n f r a r e dc a m e r a ，简称n i c ) ，采用大面积的 n i c m o s 象元阵列，可在2 5 # m 以下的近红外波段进行与光学波段类似的成像 观测 1 3x - r a y 天文观测的进展 最早的x r a y 天文观测开始于1 9 4 8 年，科学家将一些用铍箔遮挡的感光底 片用v 2 火箭升至高空( 铖箔的作用是遮挡可见光) 从而第一次探测到了太空中 的高能辐射1 9 4 9 年，h f r i e d m a n 将盖格计数管( 正比计数器) 用火箭升至高 空，检测到了来自太阳的x r a y 辐射，随后利用日食进行的观测表明太阳的x r a y 辐射来自它的高温冕区1 9 6 2 年6 月的一次火箭飞行”令人惊讶”的探测到了 第一个太阳以外的x r a y 源，此次火箭飞行的另一重大发现是探测到了各向同 性分布的x - r a y 背景( g i a c c o n i e ta 1 1 9 6 2 ) 这次观测具有开创性的意义，它真正 的拉开了宇宙x r a y 天文观测的序幕后续的火箭飞行观测把x r a y 源的数量提 】3x - r a y 天文观测的进展5 高了到三十多个 1 9 7 0 年u h u r ux r a y 天文卫星的发射标志着x r a y 天文学的正式诞生珊u m 卫星携带的x r a y 观测设备由两个带有准直器的气体正比探测器组成，它不仅 完成了首次的x - r a y 的巡天，把发现的x r a y 源从3 0 多个一下提高到3 0 0 多个， 而且它从恒星级x - r a y 源的变化性质证认出x r a y 食双星一方面它将天体物理 中的一种重要过程一吸积从理论上给予空前的重视，并发展为吸积天体物理， 另一方面，它证认出双星系统中一个应该是致密星一中子星或黑洞它还发现 星系团相关联的气体具有强的x r a y 发射能力超新星遗迹也成了x r a y 天文观 测研究的主要目标 1 9 7 8 年e i n s t e i n 天文台，前称为高能物理天文台h e a 0 - 2 的发射是x r a y 天 文学的又一个里程碑它首次采用掠入射式x r a y 望远镜聚焦和大面积成像正 比计数器对宇宙源进行观测，这使卫星探测x r a y 波段的灵敏度和角分辨率都 大大提高，从而使x r a y 天文学从河内走到河外它最重要的贡献在于发现类 星体和活动星系核是最强的x r a y 发射天体，另外它还发现x - r a y 源中包括各种 类型的天体，包括恒星形成区，正常恒星和正常星系 1 3 1 伦琴x - r a y 卫星r o s a t 1 9 9 0 年6 月1 日发射升空的r o s a tx - r a y 卫星由德国，美国和英国合作开 发，全称为伦琴x r a y 卫星( r o e n t g e ns a t e l l i t e ) r o s a t 携带由四对w o l t e r i 型掠 入射镜面组成的x 射线望远镜( x r a ym i r r o ra s s e m b l y ，简称x m a ) ，望远镜的焦 平面上有两个位置灵敏正比计数器( p o s i t i o n s e n s i t i v ep r o p o r t i o n a lc o u n t e r s ，简称 p s p c ) 和一个高分辨率成像仪( h i g h r e s o l u t i o ni m a g e r ，简称h r i ) r o s a t 另外 还携带了一面工作在e u v 波段的宽视场相机( w i d e f i e l d c a m e r a ，简称w f c ) w f c 带有自己独立的聚焦镜面，焦平面上是曲形微通道扳( c u r v e d m i c r o c h a n n e l p 1 a t e ，m c p ) w f c 的视场为5 度，角分辨率为2 3 角分，带有八片滤波片以得 到低分辨率光谱 p s p c 位置灵敏正此计数器具有很好的空间分辨率( 2 5 ”) ，视场直径为两度，具 有一定但不太高的光谱分辨能力( e a e = 0 4 3 ( e 0 9 3 ) _ o5 ) ) ，时间分辨率为 1 3 0 m s h r i 类似与e i n s t e i n 卫星上携带的h r i ，r o s a t 的h r i 由两个微通道板探测 器组成，视场为3 8 角分的方形，角分辨能力为2 ”，能量分辨能力差 第一章多波段天文观测发展简介 6 r o s a t 卫星的一项主要任务是执行x r a y 巡天( r o s a t a l ls k ys u r v e y , 简称 r a s s ) ，有于它有极低的仪器噪声，因此在探测更弱的源上有极强的能力它 的巡天结果包括了8 万个x r a y 源，比u h u r u 的巡天结果提高了两个量级，其中 的很多源现在仍在识别观测中 1 3 2 飞鸟x r a y 卫星a s c a a s c a ( a d v a n c e ds a t e l l i t ef o rc o s m o l o g ya n da s t r o p h y s i c s ，前称a s t r o d ) 是日 本的第四代x r a y 天文卫星，工作在0 5 1 0 o k e v 的较宽波段范围新一代的 a s c a 卫星使用了新式的掠入射式望远镜以及先进的c c d 探测器，集成像和成 谱本领于一身，首次使用固体的c c d 探测器进行成像成谱观测，在灵敏度上以 及能量分辨率上都比它的上一代有着显著的提高a s c a 卫星在1 9 9 3 年2 月2 0 号成功发射升空，2 0 0 0 年7 月1 4 日，在一次地磁爆中a s c a 失去了姿态控制， 其后没有进行过科学观测，2 0 0 1 年3 月2 日，在轨道上运行了八年之久的卫星 坠入大气层而销毁a s c a 卫星轨道的近地点及远地点轨道半径分别为5 2 0 公 里和6 2 0 公里，轨道周期为9 6 分钟 a s c a 卫星共携带四套x r a y 望远镜( x - r a y t e l e s c o p e ，简称x r t ) ，其中两套 望远镜的焦平面上各置放一个气体成像光谱仪( g a si m a g i n gs p e c t r o m e t e r ，简称 g i s ) ，另外两个焦平面上置放的是两个c c d 固体成像光谱仪( s o l i d s t a t ei m a g i n g s p e c t r o m e t e r s ，简称s i s ) x r t x r t 采用掠入射方式聚焦，它的角分辨率为2 9 角分，四套望远镜叠加在 1k e v 及7 k e v 的有效面积分别为1 3 0 0 和6 0 0 平方厘米 s i s 每个s i s 探测器由四片4 2 0 x 4 2 2 的c c d 组成，工作范围是o 4 1 0 0k e v ， 5 9k e v 的能量分辨率为5 0 ( e a e ) 视场大小为2 2 角分2 2 角分 g i sg i s 是一个气体正比计数器，工作范围是o 7 1 0 0k e v ，5 9k e v 的能量 分辨率为1 2 5 ( e a e ) 视场为直径5 0 角分的圆 a s c a 卫星在众多天文学取得了耀人的成就，包括活动星系核，星系团及早 型星系，超新星遗迹，恒星，x r a y 双星，y 射线暴以及x 射线巡天等方面在 活动星系核方面，a s c a 的最重要的成果是第一次给出了活动星系核的铁k a 荧光线的轮廓( t a n a k a e ta 1 1 9 9 5 ) ，是迄今为止活动星系核中心存在着大质量黑 洞的最直接的证据 7 1 3 3 其它以及下一代x r a y 天文台 除了以上列出的x - r a y 天文观测设备之外，还有一些其它的x - r a y 天文观测 设备，例如欧洲的r x t e ，b e p p o s a x 等，这些天文观测设备同样取得了各种 重大成就，我们就不再一一罗列它们的性能新一代的x - r a y 天文台最重要的 是c h a n d r a 和x m m 卫星c h a n d r ax r a y 天文台( c h a n d r ax r a yo b s e r v a t o r y ， 缩写c x o ) ，前称a x a f 由一个高空问分辨率( o 5 ”) 的x r a y 望远镜加上一 系列先进的成像和光谱设备组成，于1 9 9 9 年7 月9 日由哥伦比亚号航天飞机发 射升空c h a n d r a 的设计要求是此上一代x r a y 卫星在能量和角分辨率上至少 提高一个量级，它的高分辨率镜面阵列h r m a ( h i g h r e s o l u t i o nm i r r o ra s s e m b l y ) 提供的角分辨率 o 5 ”c h a n d r a 有着能与最好的光学望远镜相媲美的角分辨 率，这决定了c h a n d r a 在进行x r a y 深度巡天方面有着极大的优势x m m 是 1 9 9 9 年1 2 月由欧洲发射的x r a y 多镜面望远镜( x r a ym u l t i m i r r o rm i s s i o n ，简称 x m m ) ，携带三套由w o l t e r i 型掠入射式镜面组成的x - r a y 望远镜x m m 还携 带了一面光学望远镜以进行光学波段的同时监测x m m 的工作范围为o 1 1 5 o k e v ，视场大小约3 0 ”反射光栅光谱仪( r g s ) 工作在软x - r a y 波段，能量 分辨率e a e 为1 5 0 8 0 0 相比于c h a n d r ax r a y 天文台，x m m 的角分辨率 较差( 6 ”) ，但是望运镜接收x r a y 的有效面积却远远大于c h a n d r a 对已知源， x m m 可以提供给我们高信噪比的光谱，研究这些源更短时标的光变也成为可 能，x m m 的灵敏度还使得我1 j 1 ：- t p x 探测到更弱的或更遥远的x - r a y 天体这 些新一代的x r a y 望远镜的高灵敏度可以在天文学的各个层次，从恒星到活动 星系核到暗物质到大尺度结构上取得重大的进展我们相信目前x r a y 天文学 正处于一个数据积累飞速发展的时代，有效利用目前以及将来的x - r a y 天文观 测装备，x r a y 天文观测和理论必将取得更辉煌的成就 本章中，我们详细地介绍了多波段天文观测的发展历史，强调了仪器的发 展是天文学进步的支柱由于本文重点在于窄线s e y f e r t 星系的多波段观测，我 们详细地介绍了i u e 卫星、h s t 和a s c a 卫星的仪器装置，和所取得的主要 成就我们将在下一章总结对于窄线s e y f e r t 星系的多波段观测结果；在随后的 几章介绍我们的研究成果和对于它的理论解释 第二章窄线s e y f e r ti 型星系的多波段观测特征 2 1 窄线s e y f e r ti 型星系的定义 宽发射线是活动星系核( a c t i v e g a l a c t i c n u c l e i ，简称a g n s ) 多波段谱最引人 注目的特征之一它的存在是对a g n 中心存在的巨型黑洞吸积模型( r e e s1 9 8 4 ) 重要的支持s e y f e r t 星系通常是指那些据有恒星状亮核的旋涡星系，来自他们 的核区光谱中含有正常星系光谱中少见的发射线s e y f e r t 星系是a g n s 中最早 被发现的一种子类7 0 年代，k h a c h i k i a n 和d a nw e e d m a n 根据发射线的分光特 征将s e y f e r t 星系分成两类：i 型s e y f e r t 星系的发射谱具有很强的发射线，其中 大部分是氮线，也有h ei ，h ei i f ei i 等允许线，线的典型宽度( 半极大全宽，f u l l w i d t ha th a l fm a x i m u m ，简称f w h m ) 相应的范围为1 0 3 1 0 4 k m 8 ，它的禁线 ( 如【0i n ) , 5 0 0 7 ) 很窄，对应的速度约为1 , 0 0 0k m 5 “；而在i i 型s e y f e r t 星系核的 光谱中，允许线和禁线有相同的宽度，都为窄线，约为1 , 0 0 0k m 8 根据光致 电离模型，谱线是由于v i r i a l 化的宽线区( b o a r d l i n e r e g i o n ，简称b l r ) 云团的弥 散速度导致的多普勒展宽具有几千k m s _ 量级的极宽允许线产生于b l r ，位 于距离中心黑洞大约0 2 1 一l p c 的地方；窄线产生于云团速度弥散较小的窄线 区( n a r r o wl i n er e g i o n ，简称n l r ) a n t o n u c c i 和m i l e r 对经典的i i 型s e y f e r t 星系n g c1 0 6 8 的偏振研究发现， 除去非偏振的星光之后得到的偏振谱与i 型s e y f e r t 星系非常相似：偏振谱中存 在明显的对称的b a l m e r 线和f ei i 发射线，零流量全宽约为7 , 5 0 0 k i n s ，正是i 型s e y f e r t 星系的谱线的典型宽度光学连续谱和b a l m e r 线的偏振度约为1 6 ， 而且连续谱和谱线的偏振角大致相同由此得到s e y f e r t 星系的统一模型：由于 存在于b l r 和n l r 之问的尘埃环t o r u s 的遮挡效应而造成i 型和i i 型s e y f e r t 星 系的差别i 型和i i 型s e y f e r t 星系的动力学结构相同，只是由于我们观测的视 角不同：直接可以观测到b l r 的s e y f e r t 星系为i 型( p o l e - o nt o r u s ) ；由于t o r u s 地 遮挡看不到宽线区的为i i 型 令人惊奇的是，存在一类s e y f e r t 星系，他们的允许线仅仅略宽于禁线，而 其它的观测特性( 红外和射电性质) 和正常的s e y f e r ti 星系( b o a r d l i n es e y f e r t1 g a l a x i e s ，简称b l s l s ) 基本类似，和s e y f e r t i i 星系有很大程度上的差别o s t e r b r o c k p o g g e1 9 8 5 首先根据光学观测特性来定义窄线s e y f e r t1 星系( n a r r o w l i n es e y f e r t 1g a l a x i e s ，简称n l s l s ) 作为s e y f e r t1 星系的一个子类： 8 2 2x - r a y 波段观测特征9 月口f w h m 2 0 0 0 k m s 【0i i l 】a 5 0 0 7 蛳 = c a 芷 5 0 4 4 0 04 6 0 04 8 0 0 5 0 0 0 5 2 0 05 4 0 05 6 0 0 w a v e l e n