活动星系及其与超大质量黑洞协同演化的观测研究

来源 :中国科学技术大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:chenpeixin
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对近邻星系的观测表明超大质量黑洞广泛存在于大质量星系的中心,而黑洞质量(MBH)与核球质量(Mbulge)之间紧致的标度关系表明黑洞的增长与其宿主星系的演化存在着密切的联系。然而,黑洞吸积是如何触发的,这个过程与星系的性质有什么关联,黑洞的反馈作用对星系的演化有什么影响,两者之间紧密的相关性是如何建立的,星系并合在此过程中起了什么样的作用等问题仍然没有定论。围绕这些问题,本文对高度遮蔽活动星系核(AGN)、Ⅰ型类星体及其宿主星系的物理性质开展了多波段的观测研究。在并合驱动的黑洞-星系协同演化模型中,高度遮蔽AGN处于星系并合过程中所经历的一个富含气体和尘埃,黑洞快速吸积并伴随着星暴的特殊阶段。然而,这类重要的AGN却由于严重的遮蔽而难以探测。在第一个工作中,利用X射线穿透性极强的特点,我们基于Chandra深场巡天数据证认了目前为止最大的含有436个红移0<z<5的X射线选高度遮蔽AGN的专属样本,并通过X射线光谱拟合(基于物理的MYTorus模型)得到了它们的本征X射线光度、遮蔽物质中性氢柱密度(NH)、软超和反射成分的强度等信息。基于此,我们发现在视线方向上NH最高的AGN平均而言有着较大的尘埃环覆盖因子,表明其严重的X射线吸收并不仅仅是倾角效应导致的。此外,通过仔细地修正有效巡天面积和马姆奎斯特偏差,我们得到了本征NH分布随红移的演化。该分布表明,当前的深场巡天仍然遗漏了大量高度遮蔽的源,并需要未来更加灵敏的硬X射线巡天结合多波段数据来探测。我们还提出了一种基于X射线硬度比选择高度遮蔽AGN的方法,无需借助光谱拟合,其完备性和准确性分别可以达到88%和80%。在第二个工作中,基于上一个工作构建的高度遮蔽AGN大样本,我们结合Chandra深场丰富的多波段测光数据,利用能谱拟合测量了这些源的遮蔽物质和宿主星系的物理属性。我们发现,X射线选的高度遮蔽AGN不一定具有显著的热尘埃辐射;其宿主星系的恒星形成率与主序星系类似,形态上多为规则的盘星系,只有27%呈现出一定的扰动特征;遮蔽物质大多能够抵抗辐射压的作用而长期存在,因此在当前的吸积率下它们不会转变为未被遮蔽的Ⅰ型AGN。这些结果表明,多数X射线选的高度遮蔽AGN并非并合模型在寻找观测证据时消失的一环。此外,在并合模型中,当遮蔽物质被AGN反馈吹散后,星系便演化成为了未被遮蔽的Ⅰ型类星体;其形态也逐渐由盘主导转变为核球主导,并最终演化为符合本地标度关系的宁静星系。测量Ⅰ型类星体宿主星系的结构和恒星形成性质是检验这一模型的关键,然而明亮的类星体对星光的污染导致测量上困难重重。在第三个工作中,我们利用高角分辨率的HSC数据以及细致的图像模拟克服了这一困难,通过二维图像分解可靠地测量了约5000个0.2<z<1.0的SDSS类星体的宿主星系的结构、恒星质量(M)、颜色等性质。基于此大小为前人所用样本数十倍大的样本,我们发现类星体的宿主星系主要为有着星系盘(Sersic指数峰值在n≈1.0)的恒星形成星系,表明其当前的恒星形成没有受到类星体即时反馈的抑制;而在相同的星系质量下,类星体宿主星系的形态要比普通的恒星形成星系致密。这些结果表明,类星体的活动性可能是由某种机制(例如星系盘的不稳定性)引发的星系塌缩过程带来的气体内流所点燃的,而这一过程同时触发了致密的核球的形成。在第四个工作中,我们通过蒙特卡洛模拟修正了上述SDSS类星体样本的选择偏差和测量误差,从而得到了MBH-M关系的本征演化。我们发现MBH/(?),且本征弥散只有0.25-0.14+0.03dex,这也是目前在此红移区间对该关系做出的最强观测限制。这一紧致且几乎不随时间演化的关系支持黑洞-星系存在协同演化,表明应该有某种机制在调节着两者的增长,使得其质量比被限制在了一个很窄的范围内。结合如下两个结果,(1)高红移处的本征弥散不大于本地值,(2)类星体的宿主星系有显著的星系盘,且符合本地标度关系的是M而非Mtbulge,我们认为建立标度关系的主导机制应该是AGN反馈或黑洞-星系生长依赖共同气体来源,而非星系并合。随后,在第五个工作中,我们将上述研究推广到20个z~6的类星体,并首次给出了宇宙再电离时期MBH-M关系的演化因子和本征弥散的联合概率分布,以此研究宇宙早期黑洞与星系增长的关联。我们发现,在考虑了巨大的测量误差以及严重的选择偏差后,这些类星体显著偏离于本地MBH/M的分布完全可以用其背后的黑洞种群符合一个不存在演化的MBH-M关系所重现;然而,其它存在演化的模型并不能被排除。有趣的是,基于当前的黑洞吸积率和恒星形成率,显著偏离于本地关系的类星体都倾向于回归到本地关系上,表明AGN反馈可能在宇宙极早期就已经在调节黑洞和星系的演化了。最后,在第六个工作中,我们对一个特殊的低光度、窄线Seyfert星系WPVS 007的HST光谱以及Swift与WISE光变曲线进行了分析,以揭示导致其复杂光变的物理机制并研究其外流的性质。我们发现,该源在紫外-光学波段的流量和颜色变化、中红外光变(约0.3等)以及宽吸收线对于连续谱光变的协同响应无法用前人提出的消光的变化所解释,而应该是由其中心引擎的本征光变导致的。WPVS 007的外流可能起源于盘风,而我们所观测到的外流或许已经传播到了尘埃环附近。对这类低光度但有着显著外流的源进行后续的气体观测有望促进我们对于AGN反馈的理解。
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