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星系中心超大质量黑洞 探测方法及统计性质 陆由俊() 中国科学院国家天文台 2012年11月1日中国科学技术大学 11/1/12 大质量黑洞 1 摘要 黑洞的概念及理论基础 天文背景下的黑洞 类星体与大质量黑洞 正常近邻星系中的黑洞质量测量 活动星系核中黑洞质量的测量 黑洞质量与寄主星系性质之间关系的物理背景 黑洞研究展望 11/1/12 大质量黑洞 2 黑洞概念：逃逸速度 摆脱一引力场的引速度 Vesc 力束缚所需的最低初始速率 速度 3倍太阳质量 黑洞! 银河系中大约十几个黑洞通过这种方式被发现 (p of the iceberg) 11/1/12 大质量黑洞 11 黑洞候选者 伴星的速度和轨道 黑洞的质量11/1/12 大质量黑洞 12 类星体与大质量黑洞 谈到大质量黑洞就不得不谈类星体、其发现历史及其能源机制！ 11/1/12 大质量黑洞 13 类星体的发现历史 1963年Maarten Schmidt等证认出它们实际上是红移了的氢、氧和其他元素的发射线 Greenstein & Mathews 1963, Nature同一期, for 3C48, z=0.37 11/1/12 大质量黑洞 14 类星体的发现历史 射电点源（类似于恒星的光学对应体）被叫做 “Quasi-Stellar Radio Sources”; 华裔天文学家邱宏义（H.-Y. Chiu）将其缩写为“Quasars”（1964），1970年被ApJ接受； Sandage (1965)等证认了很多紫外过剩类似于Quasars的光学天体，但它们的射电较弱。Sandage把此类天体叫做“blue stellar objects”(BSOs)；稍后该类天体被叫做“quasi-stellar objects”（QSOs）。 在文献中有时并不严格区分这两类天体 11/1/12 大质量黑洞 15 类星体巡天 XMM X-raysurvey2dF大样本类星体的观测和统计是理解类星体的本质必经之路。 SDSS单个类星体代表着核活动性长期演化的一个特别时刻。 一个大类星体样本应该包含了处于演化过程中各个不同时刻的个体，因而可以帮助提取类星体的形成和演化信息。 能量产生机制 基本问题: 能量是如何产生的? 1042-1048erg/s (109-1015太阳光度) 场星系的典型光度: 1044erg/s 小尺度 (短周期光变): ct (太阳系尺度) 大质量黑洞的吸积 质量: Fgrav Frad11/1/12 GMm p2M e L4 cr 2 e L4 Gcm p大质量黑洞 Eddington limit 17 r= 8 107 M sun L1046 erg/s 活动星系核中的大质量黑洞 质能转换效率: L = Mc 2 , M 0.2 L46Msun/yr = 0.007, nuclear reactionU =GMmrL dUdt=GM dmr dt=GMM&r,GMcrGMc 2) Schwarzschild黑洞和Kerr黑洞: 0.057, 0.31 (a=0.998) 喷流: 光速, 极深势阱的标志 11/1/12 大质量黑洞 18 & &质量能量转换效率 Bardeen 1970: Eciency: 0.42 for a=1 11/1/12 大质量黑洞 19 吸积盘理论 吸积盘 粘滞带走角动量 热黑体辐射 11/1/12 大质量黑洞 20 吸积盘理论 吸积盘 粘滞带走角动量 热黑体辐射 Pringle 1981, ARAA 11/1/12 大质量黑洞 21 临近星系中心黑洞存在的预期 类星体: 遥远星系中心的大质量黑洞吸积过程 (Schmidt 1963; Salpeter 1964; Zeldolvich & Novikov 1964; Lynden-Bell 1969; Rees 1984). 遥远星系代表了临近星系的历史(宇宙学原理) 临近星系中的类星体遗迹? (Lynden-Bell 1969; Soltan 1982; Yu & Tremaine 2002) 近邻星系中应该存在大质量黑洞(Kormendy & Richstone 1995; Magorrian et al. 1998; Gebhardt et al. 2002; Pinkney et al. 2003; Ferrarese & Ford 2005) 11/1/12 大质量黑洞 22 预言：类星体 临近星系中心黑洞 类星体阶段吸积导致的黑洞质量密度增长: u=1.3 10-15erg/cm3, ,acc=u/(c2)=2.1105(0.1/) M8/Mpc3 场星系的空间数密度: n= 610-3h3Mpc-3 星系中黑洞（类星体遗迹）的平均质量: ,acc /n=107M8/galaxy 11/1/12 大质量黑洞 23 近邻星系中心存在大质量黑洞 星系中心大质量黑洞的存在会影响周围物质的运动 星系中心气体动力学，恒星动力学，运动学等都可以用来测定黑洞的质量中心天体质量M rv2 / G 运动速度随 r 减小而增高 开普勒运动 11/1/12 大质量黑洞 24 大质量黑洞证据：银河中心 The Milky WayGalacticcenter(Reinhardt Genzel；Andrea Ghez)11/1/12 2大质量黑洞 M = 4 10 6 M e25 M = rv / G银河中心恒星运动轨道 利用恒星轨道的精确测量来测定广义相对论效应和中心黑洞的度规 Meyer et al. 2012 11/1/12 大质量黑洞 26 太阳系 11/1/12 大质量黑洞 27 银河系中心黑洞：邵逸夫奖Reinhard Genzel in recogniuon of his outstanding contribuuons in demonstraung that the Milky Way contains a supermassive black hole at its centre 11/1/12 大质量黑洞 28 银河系中心黑洞：Crafoord奖Andrea Ghez Reinhard Genzel “for their observa/ons of the stars orbi/ng the galac/c centre, indica/ng 11/1/12 the presence of a supermassive black hole. 大质量黑洞 29 大质量黑洞存在证据：NGC4258 NGC 4258M = (3.9 0.1) 10 7 M e11/1/12 大质量黑洞 30 大质量黑洞存在证据：脉泽线 Greene et al. 2010 11/1/12 大质量黑洞 31 大质量黑洞存在证据：近邻正常星系中心 恒星动力学（准开普勒势场中的开普勒旋转）无碰撞玻尔兹曼方程的速度一阶矩给出质量估计Magorrian et al. 1998 11/1/12 大质量黑洞 32 大质量黑洞存在证据：气体动力学 气体动力学（准开普勒势场中的开普勒旋转）利用长缝光谱观测(OIII,OI,SII,NII,H)9M87: 电离气体盘 Ford et al. 1994 Macchevo et al. 1997 11/1/12 大质量黑洞 33 M = (3.2 0.9) 10 M e星系中心黑洞质量与星系性质间的相关 Gebhardt et al. 2000 Ferrarese & Merriv 2000 11/1/12 大质量黑洞 34 星系中心黑洞质量与星系性质间的相关 Tremaine et al. 2002 Ferrarese & Ford 2005 11/1/12 大质量黑洞 35 11/1/12 大质量黑洞 36 M87 (SDSS color scheme) 11/1/12 大质量黑洞 E1 37 M31 spiral galaxy 11/1/12 大质量黑洞 38 M100 Sbc SAB(s)bc grand design 11/1/12 大质量黑洞 39 星系中心黑洞质量与星系性质间的相关 十年后的关系: Gultekin et al. 2009 不同星系类型之间的差异？ Graham et al. 2011 11/1/12 大质量黑洞 40 星系及其中心大质量黑洞共同演化 11/1/12 大质量黑洞 41 近邻宇宙中的大质量黑洞分布黑洞质量与星系性质之间的关系+星系特征量（如速度弥散或星系光度等）分布函数+黑洞与星系特征量之间关系的内秉弥散近邻宇宙中的黑洞质量分布函数11/1/12 大质量黑洞 42 近邻宇宙中的黑洞质量分布函数11/1/12 大质量黑洞 Yu & Lu (2008) 43 活动星系核中的大质量黑洞 3C273光学紫外连续谱 Kriss et al. 1999, ApJ 11/1/12 大质量黑洞 44 活动星系核中的黑洞质量测量: Reverberauon mapping 发射线相对于连续谱的 时间延迟 发射线轮廓的变化： 转移函数： 11/1/12 大质量黑洞 45 活动星系核中的黑洞质量测量: reverberauon mapping 对任意给定的宽线区几何可以由发射线轮廓对连续谱变化的响应来得到平均的时间延迟或时间延迟峰值 不确定性： 宽线区的几何，球对称、盘形状 宽线区运动是否引力主导 Horne et al. 2004 11/1/12 大质量黑洞 46 活动星系核中的黑洞质量测量: reverberauon mapping Peterson & Wandel 1999 Kaspi et al. 2005 若宽线区运动为引力主导，则可由宽线区的尺度和宽线的宽度即宽线发射云团的 速度确定黑洞的质量；更进一步可以由光度预言宽线区尺度再估计黑洞质量。 11/1/12 大质量黑洞 47 Gebhardt et al. 2001 Onken et al. 2004 Ferrarese & Merriv 2001 11/1/12 大质量黑洞 48 活动星系核中的黑洞质量测量: reverberauon mapping 2由光度预言宽线区尺度再结合宽线 的线宽来估计黑洞质量； 这是目前估计活动星系核或类星体 中黑洞质量最简洁的方法（位力质 量），其统计误差在23倍之间， 但可能有3倍左右的系统误差。 Kaspi et al. 2005 11/1/12 大质量黑洞 49 M = fRBLR vFWHM活动星系核中的黑洞质量函数 Shen & Kelly 2011 由SDSS观测得到的类星体运用位力质量估计法可得到黑洞质量函数; 有助于理解黑洞的形成和演化 11/1/12 大质量黑洞 50 活动星系核中的黑洞质量估计： X射线光变 Lu & Yu 2001 黑洞质量（尺度）与X射线的变化幅度 相关可由此关系通过大样本X射线巡天 得到黑洞的各类统计性质 Zhou et al. 2010 11/1/12 大质量黑洞 51 黑洞质量与星系特征量关系的宇宙学演化 Bennert et al. 2010 M (M *, z) M (M *, z = 0)(1 + z)Zhang, Lu & Yu 2012 11/1/12 Merloni et al. 2010 大质量黑洞 52 类星体反馈 类星体与星系特征量之间的关系预示黑洞的成长与星系的形成密切相关类星体输出的总能量:(Tremaine et al. 2002) E output2 62 0.110 9 M sun 星系的总束缚能 E binding2 60 1 10 M sun 类星体输出的总能量如果有一小部分被星际介质活动，星际介质就可能被吹出星系11/1/12 大质量黑洞 Fabian et al. 2003 53 M Mc 10 ergs C MGal CMGal 10 12 ergs类星体反馈 解释MBH-关系的一个简单模型由黑洞吸积导致的风扫除了其周围的气体从而终端了黑洞吸积和星系成长壳层速度 黑洞吸积成长直至vm= (Tremaine et al. 2002) 动量驱动, 但是也可能是能量驱动Silk & Rees 1998; King 2003, Murray et al. 2005 11/1/12 大质量黑洞 54 类星体反馈 星系并合模拟: 再造大质量黑洞质量与星系的速度弥散、核球光度及质量间的相关等效能量反馈加热效率f=5% Di Maveo et al. 2005 11/1/12 大质量黑洞 55 11/1/12 大质量黑洞 56 相互作用星系 11/1/12 大质量黑洞 57 双黑洞与星系并合 NGC6240 双黑洞轨道演化 11/1/12 大质量黑洞 58 双黑洞演化 动力学摩擦阶段(kpc-尺度) 引力束缚双黑洞系统 贫气体并合 非硬双黑洞阶段(pc-尺度) 硬双黑洞阶段(sub-pc-尺度) 富气体并合 由环核气体导致的动力学摩擦或迁徙(100-1pc-尺度) 镶嵌在吸积盘上的双黑洞系统(sub-pc-尺度); 类似于行星在行星盘上的一型和二型迁徙机