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[资料] 统一场论(天体物理2)

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henryharry2 发表于 2018-2-15 09:25:57 | 显示全部楼层

微类星体

 
类星体是一种光度极高、距离我们遥远的一类奇异天体。它的谱线和恒星类似,但具有很大的红移,所以称它们为类星体。目前认为类星体是一类活动星系核(AGN),其中心是一颗超大质量黑洞,星系周围的物质在黑洞强大引力作用下向黑洞靠近并在黑洞周围形成吸积盘,一部分物质通过吸积盘落入黑洞,另一部分以接近光速的速度沿垂直吸积盘方向向两极喷射出去。早在1979年Bruce Margon等就发现了银河系内X射线双星SS 433具有喷流,长时间以来,人们都认为SS 433是银河系中一个罕见的天体,它和类星体的关系并不是明显,因为SS 433的喷流速度只有0.26倍光速,而银河系外的类星体的喷流的速度几乎接近光速。
20世纪90年代,随着空间天文探测技术的发展,X射线天文卫星的定位精度越来越高,这样就可以定出X射线源的位置,使得天文学家能在其他波段(光学、射电和红外)对这些X射线源进行详细的研究。1992年,Felix Mirabel和Luis Rodriguez利用(Very Large Array, VLA)观测到了位于银河系中心区域X射线源1E1740.7-2942具有双边准直喷流,由于它和银河系外的类星体在形状上相似,因此称之为微类星体(microquasar),从此揭开了微类星体研究的序幕。
微类星体是具有相对论性射电喷流的X射线双星。微类星体和类星体不仅在形状上相似,它们也具有类似的物理性质。假如X射线双星中的致密星体为黑洞,那么微类星体系统的参数的大小仅和黑洞质量的大小有关。类星体和微类星体之间的参数区别如图1所示。
对于一个在爱丁顿吸积极限下的黑洞来说,最终稳定吸积盘的黑体温度为,那么我们可以得出具有恒星质量黑洞的微类星体的吸积盘温度为1千万K,而具有超大质量(1千万~10亿M⊙)黑洞的类星体的吸积盘的温度则为10万K,这就解释了为什么微类星体的吸积盘主要辐射在X射线波段,而类星体则在光学/紫外波段。另一方面喷流的典型尺度正比于黑洞的质量,那么在微类星体中射电喷流的典型尺度的量级为光年,而在类星体中则可以达到几百万光年。另外,时标也和黑洞的质量有关τ≈,那么在类星体需要几年才能发生的现象在微类星体中几分钟内就可以发生了。在这种情况下我们可以说微类星体是AGN和类星体的缩微,我们可以更好、更快地去了解发生在致密星体附近的吸积/喷射过程。微类星体为我们理解河外星系的超亮X射线源、伽马射线长暴以及恒星级黑洞和中子星的起源开辟了新的视野。微类星体是探测强引力场下广义相对论效应的理想实验室,已经成为高能物理和天体物理研究的热点。
12.1.    喷流的物理属性
1994年,Mirabel和Rodriguez首次在微类星体GRS 1915+105中发现了视超光速喷流,所谓视超光速就是由于多普勒效应,使得喷流看起来运动速度超过了光速,这样在微类星体中也观测到和类星体中类似的超光速运动,再次证实了微类星体和类星体之间的类似性。如果能够观测到微类星体的双边喷流,根据喷流在天空中的视向运动就可以得到喷流运动的速度(β)、距离(D)以及喷流和视线方向之间的夹角(θ)的关系。
除了一个特例外,目前只观测到了微类星体喷流中轻子(电子和正电子)的同步辐射,而关于重子的直接信息却很少(或者其本身就不含重子)。这个唯一的特例就是SS 433,已经在它的光学、红外和X射线波段的光谱中观测到了喷流的重子成分的存在。为什么仅仅在SS 433中发现这样的发射线呢?其中一个可能的解释就是其他的喷流中很少含有或者根本不含重子成分,而主要成分是电子和正电子对。这反过来也表明吸积流中大部分的质量都不能脱离双星系统。有意思的是在SS 433和XTE J1550-564中发现了延展的X射线喷流。在SS 433的喷流中发现了高度电离的铁离子的发射线,这和1千万K的等离子的热发射是一致的,但是XTE J1550-564的连续谱没有任何特征,这和射电波段的同步辐射谱是一致的。Mirabel等1997年讨论了由于相对论性效应,喷流中会产生极端多普勒致宽,因此很难探测到原子的发射线成分。此外,Fender也提出由于喷流的多普勒因子很难精确确定,因此我们不知道在哪个地方找到这要的发射线。目前还没有更便捷的途径去确定X射线双星喷流的成分。
12.2.    喷流和吸积盘状态之间的耦合关系
目前关于产生相对论性喷流最有效的机制是磁流体动力学模型。喷流是由具有极大角动量的致密星和其周围的吸积盘驱动的,但是从观测上证实吸积盘和喷流的产生之间的联系绝不是一件容易的事情。图2是Mirabel等经过多次的努力得到的GRS 1915+105在X射线、射电和红外波段做同步观测的结果。从图2我们可以看出,经过一段振幅很大的准周期振荡以后,X射线流量迅速减小,X射线谱变硬,可以解释为内吸积盘的清空。直到一个X射线尖峰出现为止,此后X射线谱又变软,同时可以看到在红外波段的一个爆发开始出现,可以解释为X射线尖峰出现时从吸积盘喷出的喷流所发出的同步发现。喷发物质由于绝热膨胀,能量发射的最大值将转到更长的波段,那么接下来的一个爆发可以在射电波段探测到。
GRS 1915+105的多波段观测表明,相对论性射电喷流通常产生在低/硬态,而在高软态几乎观测不到微类星体的射电辐射。这说明喷流的产生和系统的X射线状态有着密切的关系,但是关于吸积盘状态转变的具体物理机制还不清楚,还需要长期的观测和理论研究,目前一般认为从宁静态,到低/硬态,到中间态,一直到高/软态,致密星的吸积率是逐渐增加的。关于喷流和吸积盘状态耦合研究的困难所在就是要同时得到微类星体的X射线、红外和射电观测绝不是一件容易的事情。由于吸积盘的X射线辐射变化比较迅速,地面的望远镜,特别是射电望远镜很难根据空间X射线的观测来及时调整观测目标。但是随着ALMA、e-MERLIN以及我们的FAST等一批射电望远镜的建成,对微类星体的多波段研究肯定会有很大的帮助。
12.3.    微类星体的极高能辐射
最近在微类星体中观测到了大于100GeV的极高能伽马射线辐射,因此又称它们为伽马射线双星。关于微类星体的极高能伽马射线辐射有两种不同的物理解释,一种认为是微类星体的喷流和光学伴星的星风外流相碰撞可以产生高能伽马射线辐射(图3左);另外一种解释是中子星的脉冲星风电子和恒星光子之间的逆康普顿散射所形成的高能辐射(图3右),这种脉冲星风在远离光学伴星的时候,具有和彗星一样的形状。在Cyg X-1、V4641和GX 339-4系统中探测到的极高能辐射符合微类星体-喷流模型。而对于另外三个伽马射线双星LS 5039和PSR B1259-63,它们的致密星围绕一个10~23太阳质量的Be星(或主序星)运转,具有一定的偏心轨道。在PSR B1259-63中存在一颗脉冲中子星,因此它的极高能伽马射线辐射可以利用脉冲星风模型来解释,但是对于微类星体LS 5039来说,由于它们的致密星的具体性质目前尚不清楚,因此两种模型都有可能是产生它们极高能辐射的机制,其中LS303中观测到了随轨道变化的极高能伽马射线辐射。
前面讲到由于目前微类星体喷流的成分很难确定,理论计算表明轻子模型和重子模型都能解释微类星体中的极高能辐射。但是要确定微类星体极高能辐射的具体机制,还需要地面的切伦科夫望远镜和目前的Fermi空间高能望远镜的观测才能给出谜底的答案。
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 楼主| henryharry2 发表于 2018-2-15 09:27:28 | 显示全部楼层

活动星系核的统一模型

 
1.1.    引言
1963年Schmidt利用Palomar天文台5m光学望远镜得到的3C273光谱,证认了氢的Balmer线并求出其红移为z=0.158,在英国Nature杂志上发表,成为发现类星体的标志性事件,是20世纪60年代天文学的四大发现之一。至此,人们已经认识到类星体是星系处于特殊阶段,此时核区的超大质量黑洞处于吸积状态,辐射出大量能量,本质上与活动星系核(active galactic nuclei,以下简称AGN)相同。AGN一直是天文学和天体物理学研究中的几个前沿课题之一。
AGN最显著的特征是小尺度(约0.1pc)、高光度(正常星系光度的一万倍以上)。对AGN的观测包括连续谱和线谱两方面。连续谱基本上包括了全部电磁波段,即射电、红外、光学、紫外、X射线。除BL Lac天体外,强的发射线是AGN的显著特征。AGN发射的一个重要特征是同时出现很强的允许线、半允许线和禁线。宽线(几千行米)只有允许线和半禁线,窄线(几百千米)才出现禁线。这表明宽线和窄线形成于不同区域,分别称为宽线区和窄线区。
AGN的结构和能源机制是人们最关心的两个问题。通过对多波段连续谱和发射线的研究,人们对AGN的结构已有些基本认识。一般认为AGN由超大质量黑洞、吸积盘、宽线区、窄线区、尘埃环和喷流构成。超大质量黑洞吸积周围物质释放引力能,作为能源机制已被普遍接受。既然AGN的中心能源都是来自超大质量黑洞的吸积,那么为什么观测上却表现出很多种不同的形态?由于AGN并非于对称结构,其主要的辐射源吸积盘和喷流没有球对称性,因此AGN的辐射是各向异性的,这就意味着观测者与AGN的相对取向可能在决定了AGN的观测形态。按照这一思路,天文学家开始思考能否将不同种类的AGN统一起来,逐步提出了“统一模型”。
1.2.    Seyfert星系的研究与统一模型的建立
1943年,美国天文学家Carl K. Seyfert系统的研究了一类具有强发射线和明显星系核的星系,这类星系后来被命名为Seyfer星系。Seyfert星系的主要观测特征是:
(1) 光谱中有明显的发射线,包括允许线、禁线、半禁线。允许线有宽线也有窄线, 禁线只有窄线。
(2) 寄主星系一般是漩涡星系,活动星系核十分明显。
1974年,Khachikian和Weedman将Seyfert星系分为Seyfert 1星系(S1)和Seyfert 2星系(S2)。S1允许线宽度大于禁线宽度,在2000km/s以上;S2允许线宽度小于2000km/s。
1978年,Osterbrock的研究Seyfert星系时指出:S2光谱中未观测到宽发射线可能由于取向效应,屏蔽区遮挡了来自宽线区的辐射,提出了统一模型的雏形。同样,Blandford和Rees认为当沿着射电轴(喷流)的方向观测射电亮的活动星系核时,就会观测的blazar现象,因此,blazar天体实际上也是正常的射电亮的活动星系核。
NGC1068是一个典型的Seyfert 2星系,然而1985年,Antonucci和Miller在偏振观测中发现NGC 1068有Hβ的宽发射线(图1)。合理的解释为NGC1068的核区结构与S1是一致的,也有宽线区,但由于视线方向上被某些物质所遮挡,不能直接观测到存在的宽线区。然而,一部分宽线光子可被自由电子散射(图2),通过偏振观测可以看到被散射的宽发射线,遮挡物通常被称为尘埃环。这就是Seyfert星系统一模型的基本思想。
图2 统一模型的基本思想。一部分宽线光子可被自由电子散射而被观测到(HBLR S2),但某些S2相对观测者的倾角很大散射光子无法到达观测者视线(non-HBLR S2)。
1.3.    统一模型的检验及存在的问题
统一模型提出后得到大量的观测证据的支持,主要有:偏振观测在许多II型AGN光谱中发现隐藏的宽线;成像观测在一些邻近Seyfert 2中发现高电离线发射锥等等。统一模型是成功的,但也面临一些问题和挑战。
尘埃环的几何结构是统一模型的关键问题之一,它决定了S1、S2的数目比。而强的统一模型假设尘埃环的形状(覆盖因子)是固定的,因此S1、S2的比例是不变的。然而Chandra和HST(Hubble空间望远镜)的深巡天结果显示类型II AGN的比例P随2~10KeV X射线光度的增大而减小。这暗示尘埃环的几何随中心光度有演化。
统一模型认为S2是有隐藏宽线区的,简记为HBLR S2。是否所有S2都有隐藏宽线区一直存在争议。自1985以来,人们进行了一系列偏振观测,在证明一部分S2有隐藏宽线区的同时,总发现一部分S2的光谱中没有隐藏的宽发射线,它们被称作非隐藏宽线区的S2(non-HBLR S2)。例如,Tran在2001年的偏振巡天观测中只发现约50%的S2是HBLR S2。对此人们最初更愿意在统一模型内解释,认为这类S2相对观测者的倾角很大,以至于散射宽线光子的自由电子区(电子散射区)也被严重隐藏,因此散射光子无法到达观测者(图2中non-HBLR S2对观测者的倾角最大)。Tran将S1和non-HBLR S2、HBLR S2做了比较,发现S1与HBLR S2的各种性质与统一模型符合的很好,即它们是同一类天体但相对于观测者的视线角度不同,而non-HBLR S2与S1的关系不符合统一模型的要求,其核的活动性要弱一些。因此,Tran认为non-HBLR S2不能被包含在统一模型以内。Non-HBLR S2的存在对统一模型是一个挑战。是什么原因使观测者看不到non-HBLR S2中的宽线;这类天体能否被包含在统一模型以内,如果能,它处于什么位置?它在Seyfert星系的演化过程中扮演什么角色?这些问题的解决对发展和完善统一模型至关重要。
X波段的观测也可用于检验统一模型。由于尘埃环的存在,S2的中性氢柱密度应当显著高于S1。统一模型要求的尘埃环在unabsorbed S2中似乎并不存在,这对统一模型也是挑战。
1.4.    统一模型的进一步发展
王和张系统地总结了现有Seyfert星系的子类,考虑了尘埃环倾角、演化效应及尘埃环内的气体和尘埃的比例等因素,将它们与AGN的演化联系起来,提出了“演化的统一模型”(图4)。他们认为对X波段有吸收的non-HBLR S2是窄线Seyfert(NLS1)的较大倾角对应体,它们因吸积率高而只有“较窄”的宽线区。对X波段没有吸收non-HBLR S2可能是Seyfert星系的演化末态,其吸积率过低而宽线区不能形成。X波段的吸收与否还取决于气尘比,可能与尘埃环内的恒星形成历史有关,如unabsorbed non-HBLR S2A与absorbed HBLR S2的关系是尘埃环的气尘比不同。
在“演化的统一模型”这一图像中,各子类不再相互独立,都是AGN(Seyfert星系)演化的某个阶段。可以看出,经典的统一模型只是统一了宽线S1和absorbed HBLR S2s。在AGN的演化过程中,黑洞质量是一直增加的,而吸积率在AGN触发后很短的时间内达到最大(接近或超过Eddington吸积),此时AGN处于NLS1阶段,然后逐渐增小,处于BLS1阶段。减小至千分之一Eddington吸积率时,宽线区将消失,称为unabsorbed non-HBLS S2B(图4)。由于尘埃环向吸积盘提供吸积物质,在演化过程中,尘埃环覆盖因子会改变,随之带来S1、S2的数目比例改变。Unabsorbed non-HBLR S2B阶段处于演化末态,黑洞质量较大,尘埃环可能已经被吸积耗尽,因而宽线区得不到物质补充而消失。
最近,又有人提出存在一类“裸”的活动星系核:光学波段亮度变化剧烈、没有宽发射线。光学波段亮度变化剧烈表明核被直接看到;没有宽发射线与统一模型矛盾。“裸”AGN是否就是图4中的unabsorbed non-HBLR S2B,有待于检验。此外,图4中unabsorbed non-HBLR S2A是推测的、与absorbed non-HBLR S2气尘比不同的一类AGN,但目前尚未得到观测证实。
统一模型中还有很多未解决或解决的不好的问题。Urry和Padovani在研究射电亮AGN的统一模型时提出了十个尚有待解决的问题:
(1) 是否所有射电星系中有被屏蔽了的类星体?
(2) HBL、LBL和FSRQ(平谱射电类星体)间的关系?
(3) 视向速度、中心与延展射电流量比、正反喷流比的观测分布是否与束流机制一致?
(4) 是否高光度射电星系(类星体、FR II)的洛伦兹因子要比低光度(BL Lac、FR I)的大?
(5) 是否FR I有宽线区?
(6) FR II与FR I的关系?
(7) 喷流如何形成与传播?
(8) 射电宁静与强射电AGN的起源?
(9) 是否存在窄线射电宁静类星体?
(10) AGN中心能源机制的基本参数是什么?是否由黑洞来提供能量?
此外,还有电子散射区的起源和性质问题,尘埃环的起源、组成、结构、演化以及尘埃环与宽线区、吸积盘的关系等。这些问题的存在主要还是我们的观测仪器的分辨率远远不够,同时人们的认识水平也亟待提高。
总之,统一模型的提出是对一系列观测现象的总结、综合和提高。它以取向为基本参数,图像简单,概念清晰,抓住了现象的本质,得到了许多观测证据的支持。但是,随着研究的进一步深入,人们发现越来越多的新观测现象用经典的统一模型已不能给出令人满意的解释,统一模型也需要进一步发展。随着HST等望远镜的进一步观测积累和未来中国的LAMOST望远镜的建立,对AGN的多波段观测将取得更多、更重要的成果,对统一模型的检验和发展将起到极大的推动作用,上述问题将逐步得到解决,进一步加深我们对AGN的认识。
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 楼主| henryharry2 发表于 2018-2-15 09:28:32 | 显示全部楼层

类星体的形成与演化

 
20世纪60年代初,天文学家Matthews和Sandage通过干涉观测发现射电源3C48在光学上对应于一个蓝色的类似于恒星的天体。3C38的光学光谱有着奇怪的发射线,令人百思不得其解。其后,更多的射电源在光学上被证认为恒星状的天体,包括Hazard等通过掩星的方法证认的3C273。
1963年,天文学家Schmit意识到3C 273中奇怪的发射线实际上是显著的红移造成的,从而成功证认出光谱中各条发射线,包括四条氢元素的谱线和两条其他元素的发射线,得到的红移量为0.158。在现代宇宙学的框架下,这表明3C 273距离地球足有几十亿光年之遥,因此它的本征亮度也十分巨大。在此之后,更多的类星体被迅速证认,证认方法也从射电源扩展至其他电磁波段。到目前为止已知的类星体数目已接近十万个。由于类星体的高本征亮度以及它明显区别于一般恒星与星系的观测特征,天文学家可以很容易在很远的距离上寻找大量的类星体。目前已知最遥远的类星体红移为6.43,我们现在探测到光线是它在约128亿年以前辐射出来的。
以下列举一些类星体的典型观测特征:(1) 遥远的恒星状天体;(2) 光谱中有强的发射线;(3) 巨大的本征亮度;(4) 明显的光变;(5) 强烈的X射线辐射;(6) 部分类星体有明显的喷流;(7) 辐射具有宽的能谱分布,甚至是Gamma射线。值得注意的是,并不是每一个类星体都具有所有上述观测特征,随着研究的进一步深入发现,一部分类星体由于被气体遮蔽的原因在观测上的表现更为复杂。
1964年华裔天文学家Hong-Yee Chiu将这一类天体命名为类星体(quasar,quasi-stellar radio sources,意为类似于恒星的射电源),这一名称逐渐被天文学家广泛接受。随着更多研究的发现实际上只能约10%的类星体是强的射电源,天文学家开始采用另一个英文缩写QSO(quasi-stellar object, 意为类似于恒星的天体)来统称这一类天体。实际上在今天,天文学家已经不再区分quasar或者QSO这两个名词,我们都统称之为类星体。
2.1.    类星体的能源
类星体的显著特点是巨大的本征亮度,它的辐射功率可以是普通星系的成百上千倍,但是类星体又是恒星状的,这表明这样巨大的能量是在非常小的尺度上辐射出来的。观测发现类星体有着年甚至小时量级的光变现象,这说明类星体在比太阳系还小的尺度上可以辐射出比整个银河系还要大一百倍以上的能量。
类星体的发现对天文学家带来了巨大的挑战,它的能源是什么?它是如何产生的?它的寿命有多长等?到现在为止,一部分关于类星体的基本科学问题已经得到框架性的解决,但仍然存在着相当多的疑惑困扰着天文学家。
我们先来了解类星体的能源问题。计算表明,在比太阳系还小的尺度上,通过大量的恒生以核聚变或者超新星爆发等机制无法获得像类星体这样稳定的能量输出。天文学家迅速提出了大质量黑洞通过吸积气体将引力能转化为电磁波释放出来这样的机制来解释类星体的能源问题。由于大质量黑洞附近的引力场如此之强,计算表明被吸积物质的静止能量的10%以上可以转化为电磁波辐射出来,这远大于氢聚变的产能效率(0.007)。如此高效的产能效率使得一个大质量黑洞通过一个太阳质量每年的速度吞噬气体就可能产能观测到的巨大的辐射能量。
最初有一些科学家认为类星体的红移不是宇宙学红移,这样可以避免巨量能量释放问题;然而随着研究的深入,科学家已经十分确信,类星体确实距离我们非常遥远,有着巨大的能量释放速率,它的能源来源于遥远星系中心的大质量黑洞(质量约为1百万~10亿太阳质量)通过吸积气体转化引力能。由于这样的能量释放效率很高,类星体的亮度可能远大于它的寄主星系所有恒星的总亮度,使得这些天体在图像上看起来像是恒星状的点源。哈勃空间望远镜的高分辨率成像得以清楚地看到类星体周围的寄主星系的辐射(图1)。同时大量的观测结果也证实了类星体的大质量黑洞吸积模型,包括探测到大质量黑洞附近的强引力场效应以及测量大质量黑洞的质量等。
图1 哈勃空间望远镜清晰的拍到类星体的寄主星系(Bahcall等,1997)。
然而随着研究的深入,科学家已经十分确信,类星体确实距离我们非常遥远,有着巨大的能量释放速率,它的能源来源于遥远星系中心的大质量黑洞(质量约为1百万~10亿太阳质量)通过吸积气体转化引力能。由于这样的能量释放效率很高,类星体的亮度可以远大于它的寄主星系所有恒星的总亮度,使得这些天体在图像上看起来像是恒星状的点源。哈勃空间望远镜的高分辨率成像得以清楚地看到类星体周围的寄主星系的辐射(图1)。同时大量的观测结果也证实了类星体的大质量黑洞吸积模型,包括探测到大质量黑洞附近的强引力场效应以及测量大质量黑洞的质量等。
2.2.    类星体的形成与演化
现代天文观测已经证实在几乎所有星系的中心都存在一个大质量的黑洞,包括我们所在的银河系。正常星系与类星体的区别在于正常星系中心的黑洞是不剧烈活动的,也就是说不大量吸积气体。观测还发现宇宙较早期红移2~3时期类星体的密度比当前大约两个量级。这表明大量的类星体在触发以后最终熄灭了,而正常星系也曾经历过大质量黑洞吞噬气体增长质量的阶段,只是这个过程后来停止了。
那么关键的疑问是大质量黑洞吸积气体这个物理过程是如何触发,发展至最终停止的?要回答这个问题,天文学家首先需要了解气体是如何从星系的尺度上输送到大质量黑洞周围而被吞噬的。
要将在星系尺度上围绕星系中心绕转的气体输送至大质量黑洞周围,理论上面临的最大困难在于气体的角动量转移,简单计算表明气体需要将其初始角动量的99.999%转移出去,才能够输送黑洞附近。对具体的角动量转移过程我们知之甚少。
理论计算与数值模拟表明星系相互作用或者合并过程可能有效地将气体从很大的尺度上投送至大质量黑洞附近;然而其中物理过程非常复杂,包括星暴的形成,星系中心的星暴向大质量黑洞的燃料输送机制,吸积盘中的角动量转移,类星体的喷流和外流在角动量转移中扮演的角色,大质量黑洞的并合等问题。
观测上,类星体巨大的本征亮度给研究寄主星系带来显著的影响,观测上很难把寄主星系的暗弱结构从明亮的类星体辐射中辨别出来。哈勃空间望远镜在这项研究过程中起到了重要作用,由于它无与伦比的空间分辨率,天文学家得以清楚地探测到类星体的寄主星系。观测发现相当多类星体的寄主星系确实存在相互作用或者并合迹象。
然而,由于望远镜分辨率的限制以及星系和类星体周围复杂的物理过程和遮蔽效应的影响,我们对其中发生的具体物理过程了解甚少,同时由于类星体触发演化过程历时漫长,观测无法跟踪观测某些类星体研究其演化过程,而只能通过统计上分析大样本的星系和类星体的观测特征来获得一些有限的认识,无法直接清晰的绘制出类星体触发演化过程的图像。
有趣的是,新的研究结果发现星系中心的黑洞质量与星系核球中恒星总质量成正比,这告诉我们大质量黑洞吞噬气体的过程与星系中恒星的形成是密切相关的。逐渐建立起来的模糊图像显示:星系的并合或相互作用可以触发大量恒星的形成,从而触发类星体的活动,类星体的辐射或者外流对寄主星系产生反作用,最终终止寄主星系与类星体的形成以及类星体自身的活动。基于这个图像的一些数值模拟结果可以解释星系或类星体的一些观测结果。然而由于以上所述观测以及理论研究上存在的困难,目前我们还无法获得这个过程的清晰图像,我们并不清楚星系相互作用或者并合具体是如何触发类星体的。
更多的问题在于,类星体触发以后是如何演化到最终熄灭的,类星体的一次活动寿命有多长,什么机制停止了类星体的燃料供给?大质量黑洞吞噬气体的过程与星系中恒星的形成这两个物理过程尺度悬殊巨大(相差约6个量级),是什么样的具体机制把它们联系到一起的,它们是如何演化的?类星体的形成与演化这一难题的另外一层含意在于,宇宙中第一代大质量黑洞是如何形成的?宇宙不同年龄时期类星体活动是如何演化的?这些问题都亟待天文学家进一步探索来解答。
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 楼主| henryharry2 发表于 2018-2-15 09:29:17 | 显示全部楼层

宇宙X射线背景

 
在宇宙空间任何方向都存在几乎各向同性的有一定流量的X射线辐射,这就是宇宙X射线背景辐射,X射线背景辐射是最早被发现的宇宙背景辐射。这一发现是20世纪60年代X射线天文学重大成就之一。最初,探测火箭是准备研究月球的X射线辐射,月球亮的部分散射太阳的X射线辐射,而暗的部分的X射线辐射比周围的天空还要小很多,最后发现了X射线背景辐射和第一个太阳系外X射线源(Sco X-1)。宇宙X射线背景辐射的峰值在30keV左右,X射线背景辐射的起源是一个复杂、尚未完全解决的问题,最初有过很多猜测,直到20世纪80年代初,名为“爱因斯坦天文台”的X射线天文卫星发现几乎所有类星体都能够发射强烈的X射线,于是人们意识到宇宙X射线背景的真正始作俑者应该就是类星体。类星体是在60年代发现的,这是一种多波段辐射的高光度天体。研究表明,在距离地球极为遥远的那些星系里面,存在一个超大质量黑洞,类星体成为具有极高光度的天体,即使位于宇宙的最深处的类星体仍可以被观测到,因此我们现在接收到的来自遥远天体的辐射,实际上就是来自宇宙早期的信息,这里面就包含了X射线,而通过研究现在已经发现的类星体。并进一步计算出宇宙中的类星体在宇宙空间中的分布,发现类星体可以提供宇宙X射线的背景辐射的大部分。
20世纪80年代至今,又有多个X射线天文卫星发射升空,这些观测仪器的观测灵敏度比“爱因斯坦天文台”有了大幅提高,它们对不同的天区进行了深度巡天观测,可以观测到非常遥远的类星体所发射的微弱X射线辐射。基于这些观测数据,天文学家对宇宙X射线起源进行了深入系统地研究,发现大约有20%左右的硬X射线背景辐射是目前仍未被观测到的天体贡献的。
在硬X射线、红外波段对于离我们相对较近类星体的观测,发现有部分类星体被周围尘埃气体遮挡,其在光学波段的辐射非常微弱,很难被观测到,但在红外、硬X射线波段辐射相对较强,仍然能被观测。如果在宇宙深处存在大量这类被遮挡的类星体,由于它们的辐射很微弱,作为个体很难被目前的X射线天文卫星观测到,但它们对宇宙X射线背景辐射的贡献将是不可忽略的。根据对已发现的被遮挡的类星体的性质进行研究,如果被遮挡的类星体占类星体总数的30%,它们的X射线辐射能很好地解释剩余的由未被观测到的天体贡献的硬X射线背景辐射。当然,这只是一种理论解释,这一问题的彻底解决有待于下一代更高灵敏度的X射线天文台卫星的观测。
图1 由不同仪器测量到的宇宙X射线背景辐射、洋红线是模型计算得到的所有类星体对X射线背景的贡献、黑线是被遮挡类星体的贡献、红线和蓝线则分别是未被遮挡类星体和被轻微遮挡类星体的贡献。
宇宙X射线背景辐射主要来自于类星体中央超大质量黑洞吸积周围气体产生的辐射,黑洞本身由于吸积气体而长大。宇宙中超大质量黑洞的生长是目前天体物理研究中的前沿课题,宇宙X射线背景辐射已成为研究超大质量黑洞的宇宙学演化历史一个有效工具。
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 楼主| henryharry2 发表于 2018-3-22 08:14:14 | 显示全部楼层

惯性力

 
之所以称为表观力,是因为这个力实际上是没有来源的。这一类表观力称为惯性力,因为它同所考虑的系统的惯性成比例。在石块的例子中,离心力的大小为mv平方/r,它同石块的质量成正比。尽管牛顿的绝对空间仍然是一种抽象的概念,但是E. Mach注意到了天文学上的一个重要现象,它同牛顿的概念是相一致的,这种一致性好像使牛顿的概念取得了坚实可靠的基础。假定我们想要测定地球相对于绝对空间的自转运动。为了做这样的测定,在实验室实验中必然要用到固定在地球表面上的一个参考系,所以我们首先必须考虑因这种实验条件会引起什么样的表观力。离心力是地球自转引起的,但这种力相当小,这是因为地球自转的角速度是很小的。有一种表观力比离心力稍大一些,称为Coriolis力。因地球自转而造成的Coriolis力的效应,会使得摆的摆动平面绕着它的竖轴转动。实验者可以利用傅科摆来测定地球的角速度。值得注意的是,用这种方法所得到的答案,同观察围绕我们运动的远方恒星所能取得的答案符合的非常好。
由于马赫注意到了这种一致性,他认为牛顿的绝对空间事实上是以远方恒星为参考系来加以确定的。他认为,要是把背景去掉,那么我们实际上没有办法来确定作为运动定律基础的绝对空间,因为惯性与质量成比例,我们必然会认为物体的质量并不像牛顿所假定的那样是物体本身的一种内禀性质,而是同宇宙的遥远部分有关。这一概念称为马赫原理。19世纪以来对“遥远部分”的解释已经发生了变化。河外星系天文学表明,用遥远的星系来作为牛顿绝对空间的近似,要比我们自己银河系内的远方恒星更为有效。物理学家们对这种一致性的估价,以及对马赫原理所具有的重要性的估价并没有取得一致的意见。
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 楼主| henryharry2 发表于 2018-5-27 07:40:35 | 显示全部楼层

极移

 
1765年,欧拉根据刚体自转的分析得出地球自转相对于地壳可能作周期为305天的摆动的结论。1891年,柏林和檀香山两台的纬度观测发现了纬度变化,这证实了振幅约0.”3的纬度变化确实存在。同时,钱德勒对天文观测作了分析,得出纬度存在12个月和14个月的周期变化。但14个月的周期却完全出乎意料,与欧拉的理论相矛盾。不久,纽康(S. Newcomb)指出,这种从10个月增加到14个月的可能性可由地球偏离刚体的程度来进行定性解释。地极运动的主要特征是12个月和14个月周期项。前者是由于大气、海洋和地下水质量分布的季节性变化所产生的一种受迫摆动,而后者被称为钱德勒摆动,是地球的一种自由摆动。周年项比较稳定,这些谱说明许多与钱德勒摆动有关的问题。首先,14个月的谱十分宽,且胜过12个月的谱。这就提出一种阻尼机制,且可由一阻尼振子来描述。第二,根据资料的子序列得到的谱的变化表明存在一种稳定过程。从1925年—1929年,位相急剧变化,相位几乎变化了π,但振幅变化却不显著,而在其前期和后期振幅变动较大时,位相却不发生显著变化。第三,周年摆动因靠近钱德勒共振周期而得到加强,故在分离该二分量时需注意。第四,应了解观测结果中噪声的特性。凡是要分析最优摆动参数,必须考虑上述四种因素。
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