射电喷流与中央能源 蒋栋荣 上海天文台

一. 喷流的观测研究 河外射电源的喷流是射电天文的主要研究目标之一 喷流的成分，物理参数，速度和定向，辐射机制； 一. 喷流的观测研究 河外射电源的喷流是射电天文的主要研究目标之一 喷流的成分，物理参数，速度和定向，辐射机制； 喷流与中央能源：黑洞和吸积盘的关系 产生机制和准直机制，寿命，对称性； 喷流的传递以及与周围介质的相互作用及其对星系演化的影响等。

射电强与射电宁静AGN 活动星系核有着很多的分类, 大多是根据观测特征进行分类的,其物理的起源也是不完全理解的. 其中最重要的一种分类是射电强和射电宁静. 这种分类 1) 是基于射电噪度R(radio-loudness) (在源坐标系中 5GHz的射电流量密度与4400A光学流量密度的比). R>10 射电强活动星系核 ~10% R <10 射电宁静活动星系核

这种分类的物理意义是不完全清楚的 由于通常在射电强活动星系核中, 高分辨率射电观测中观测到射电喷流, 其总的射电辐射的强度比射电宁静活动星系核高约3个量级. 但是这二类源的红外,光学/紫外连续谱没有明显差异. 在某种意义上作为是否存在射电喷流或喷流辐射相对于光学辐射强弱的分类. 随着射电干涉仪灵敏度的提高已经在很多射电弱的AGN中检测到致密射电核及射电喷流.

射电强 耀变体 BL Lacs, OVVs 射电宁静

喷流观测 射电喷流 主要观测设备: 射电干涉仪 VLA 5GHz VLA-A ~0.1角秒 MERLIN ～50mas VLBI: VLBA,EVN, VLBA+EVN 天文观测中最高的角分辨率 D干涉仪中最长的基线长度 毫角秒---几十微角秒

1.2 大尺度结构 核(Core)主导AGN 平谱--- 致密(VLA尺度上) 瓣(Lobe)主导AGN 陡谱---光学薄的同步加速辐射 1.2 大尺度结构 核(Core)主导AGN 平谱--- 致密(VLA尺度上) 瓣(Lobe)主导AGN 陡谱---光学薄的同步加速辐射 延展 FRI 与 FRII 复杂形态

FRI与FRII 射电星系在 P(178MHz) = 5 x 1025 w/ Hz 处分为两类 ( Fanaroff and Riley 1974) FRI P(178MHz) < 5x1025 w/Hz 约80%的源检测到喷流，核附近单边喷流， 在离核几 kpc以后变为双边喷流并连接到大尺度 lobes 结构. 射电lobes发射的峰之间的间隔与总的源大小之比小于0.5 ( edge-darkened ) 初始磁场平行于喷流，逐渐变为垂直于喷流。 3C449 VLA 1465MHz map

3C449 VLA 1.4GHz

FRII P(178MHz) > 5x1025 w/Hz 峰值亮度间隔与源大小之比接近 1 (edge-brightened ) 有亮的外部热斑 喷流和核的绝对光度通常大于FRI， 但是由于瓣和热斑的光度增加使核和喷流远没有在FRI中突出。仅约10%的源检测到喷流。 磁场平行于喷流，喷流中的亮 knots 的磁场垂直于喷流。 Cyg A VLA 4885MHz map

lobe Cyg A core VLA image jet hotspots VLBI image 22 GHz

NGC6251 射电图象

黑洞并合NGC326 X形状的星系占总的星系的7% 射电图（AT）+ HST 二个互作用星系图象 黑洞并合的证据 并合使喷流的轴发生了约90度的变化

3C75 3C75N 正在并合的 系统 ？ VLA 图 光学上二个核 射电四条喷流 3C75S

Restarted activity (Lara etal. 1999,A&A,348,704) 外部Lobe的谱年龄 3.5×106年 2.3×106年 光学观测 可能互作用

1.3 pc尺度的喷流

视超光速运动 VLBI观测已经发现在相当数量的平谱射电源喷流中的子源存在视超光速运动. 多个历元的VLBI观测,可以测量喷流中一个子源(component)相对于核(core)运动的角速度, 称自行 (mas/yr) 宇宙学距离 (自行距离DM=(1+z)Da) 视横向运动速度 速度大小依赖于所采用的宇宙学模型参数(H0, q0)

视超光速运动 3C279 类星体 (z = 0.536)

Kellermann et al,2003

内部喷流的弯曲

EGRET源的VLBI观测 Jostad etal. (2001,ApJS,134,181） 对42个Gamma Blarza 1993-1997多波段多历元观测 33个源有视超光速运动。视速度分布高于其它强致密射电源中视速度的平均速度 VLBI核光度与Gamma光度相关 视超光速运动速度与视Gamma光度的相关强于与射电核光度的相关 EGRET源是高度beamed的活动星系核

1156+296 Helical jet (Hong, Jiang etal. AA,2004,417,887) MERLIN 1.6GHz MERLIN 5 GHz VLBA 1.6GHz Global 5 GHz

NGC4258 H2O maser VLBI ~ 3.5x107 M中央黑洞

年青的射电源 VLBI观测发现存在 致密陡谱源（CSS，源大<15kpc） GPS（GHz Peaked spectrum） GPS源中有相当高比例的源为致密对称双源(CSO,源大小<1kpc) 这些源的turn-over频率与源大小存在反相关

致密对称源（CSOs） VLBI尺度上发现一批致密对称双源 通过VLBI自行测量表明结构分离速度0.1-0.4C，相应的运动学年龄102－ 104年。 谱年龄估算与运动学年龄相符合 高的HI吸收检测率 某些源有高的尘埃含量，寄主星系有~108年前merger证据 年轻的射电活动源 与大对称双源的演化关系？

1.4 光学喷流 HST 分辨率~0.1角秒 与射电VLA 相当 至今 发现 ～26 个活动星系核光学喷流 1.4 光学喷流 HST 分辨率~0.1角秒 与射电VLA 相当 至今 发现 ～26 个活动星系核光学喷流 M87， 3C264 FRI 射电星系 3C273 射电强类星体 PKS 0521-365 BLLac Obj. --- Seyfert 1 3C371 OVV --- Radio BL Lac Obj 主要结果 1.    光学喷流结构与射电 kpc 喷流结构通常有很好的对应关系 2.    通常认为是同步加速辐射 3.    M87 中已观测到 光学喷流的视超光速运动 4 . 强beamed源 5. 可能需要加速机制？

射电VLBI和光学HST观测---视超光速运动 PKS 0521－365 M87 FR1 radio galaxy 射电VLBI和光学HST观测---视超光速运动

1.5 X-ray 喷流 至今已观测到37个射电源的X射线喷流(Harris, 2003, ASP conference Vol,XXX). 基本解释 除了热斑以外, X射线喷流全是单边的---不管什么辐射机制,需要相对论Beam 效应. FRI : 同步加速辐射 FRII: SSC 宇宙微波背景辐射的IC 热斑辐射: SSC 要求有些喷流在Kpc及更远的距离上仍然是相对论性的. （Lorentz factor 5-10) 喷流中的分量的X波段同步加速辐射要求辐射电子的e~107, 同步加速辐射电子的辐射寿命仅几年,需要电子加速区(激波区)

Centaurus A Red Radio Blue X-ray 4000光年喷流 喷流与星系气体 碰撞产生激波, 产生高能粒子发射 X射线

PKS0637-752 Chandra X ray Radio 8.6GHz ATCA

1.6 若干主要的结果及解释 谱指数，高亮温度，偏振－－相对论电子的同步加速发射 双向喷流模型是由于经典射电源的总的对称性所推动的。 1.6 若干主要的结果及解释 1) 经典双源的lobes对称地分布在核的二边, lobes 的巨大能量是AGN活动性的信标之一。 谱指数，高亮温度，偏振－－相对论电子的同步加速发射 双向喷流模型是由于经典射电源的总的对称性所推动的。 2) 大、小尺度上检测到喷流并准直，星系核向lobes传递能量的证据。 3) 喷流常呈不对称性，VLBI尺度上的喷流几乎都是单边的，并发现射电喷流中的视超光速运动(SLM)，推动了相对论性喷流模型的发展。

4) 物质从环绕黑洞的相对论性势井中的逃逸速度近似光速,预期从黑洞环境中抛射的物质是在相对论性速度上运动的. 5) 从一个自旋的超重黑洞喷出的物质是在很小的尺度上准直的,并可以在很长的时间中保持其准直性。VLBI喷流是在小于0.1 pc上形成和准直的,在许多射电源中pc 尺度和 kpc尺度的喷流保持很好的准直。 6). AGN核区域物质的相对论性团块运动产生的beam效应至少在射电强的AGN中是重要的,因此它们的外貌和分类必定高度取决于源与观测者的相对定向. 7). 在射电强的AGN中,可以预期从射电到高能辐射都受到相对论性喷流的beam效应的影响.

相对论性喷流模型 （团块运动速度， Lorentz因子，视角） 多普勒增亮因子 频率  0 = 1  频率  0 = 1  时间 dt0 = dt1 /  谱强度 I0 (0) = I1 (1) 3 = I1 (0) (3+) 横向运动 双向喷流对比度 （p=3+ or p=2+) 喷流弯曲

相对论性喷流模型可以解释 喷流子源的SLM运动, 单边喷流及弯曲, 高亮温度,高变化性等现象 相对论性喷流模型＋torus的遮挡效应为活动星系核的统一模型提供了依据。

非均匀喷流模型 (Konigle,1981,ApJ,243,700) 视角 Opening angle 速度 () 电子密度 磁场

VLBI观测到的core大小相应于光学厚的喷流在天空平面的投影 n=2,m=1 时

理论上 利用app和 可以确定喷流团块速度及视角。 实际上的估算是较困难的。 有几种模型依赖的方法 均匀球的SSC模型ssc 能均分equi 非均匀喷流的SSC模型jet 这些方法各存在若干问题，所以只能在一定程度上描述相对论性增亮的程度，定量上可能有很大的误差。

核主导参数Rc 假定射电源的发射在VLA图像中核(core)区域的发射是相对论性喷流增亮的,而延展发射几乎是各向同性的 通常将在源坐标系中5GHz上这两个发射的比定义为核主导参数Rc. 它反映了核辐射相对于延展辐射的主导程度,

存在相对论性运动时 ( core 有 增亮时) P=3+ 球分量 P=2+ 连续喷流 源相对于观测者定向的指针(如果喷流团块运动的Lorentz因子近似相同的话).

二 disk-jet connection 吸积盘辐射----热辐射 谱线辐射----盘辐射的电离光子被发射线云吸收后的再辐射 射电喷流----相对论性电子的同步加速辐射，提取吸积盘的能量或黑洞自旋能量 高能辐射 低频光子逆康普顿散射 同步加速辐射的尾部 极高温气体的热辐射 各种相关关系 ------各种物理过程之间的联系

射电与光学连续谱辐射 研究的困难 1) 射电强活动星系核的射电辐射存在着相对论beam效应的Doppler增亮。 2) 光学连续谱观测的分辨率太低, 通常观测到的辐射中包括了核及寄主星系的贡献. 3）disk辐射存在几何学效应以及torus的遮挡问题，加上对射电强的活动星系核,其光学辐射中可能包括了相对论性喷流(被Doppler增亮的)辐射的贡献 4) 光度－光度相关可能由于对光度距离的共同依赖关系而产生的伪相关

射电与光学连续谱相关 陡谱射电类星体样本,喷流轴接近天空平面,避免相对论性喷流的影响. 发现射电总流量与光学流量相关(光度相关). (Serjeant et al,MNRAS,1998,294,494)

HST FRI光学致密核与射电核辐射相关 （Chiaberge et al. 1999，AA，349，77） 光学核同步加速辐射

FRI&FRII光学核光度与核主导参数相关 （Kharb et al., 2004,A&A,425，825） 吸积盘的辐射不重要 光学核辐射beamed 同步加速辐射

射电与发射线辐射相关 谱线辐射没有相对论性增亮的问题 直接联系到中央辐射源的电离光度 问题： 窄线：喷流与窄线云的互作用。 宽线：disk-like几何学可能存小的定向效应

射电光度与光学窄线光度相关 (Xu etal 1999, AJ, 118, 1169 )

射电与窄线光度相关 (Willott et al. ,MNRAS,1999，309，1017) 7C红移巡天（151MHz）射电星系和陡谱类星体＋3CR样本。

(Celotti et al.,MNRAS,1997,286,415): 利用统计得到的各种宽线的相对比值模型,将观测到的宽线加权相加估算宽发射线光度.

射电延展辐射与宽线光度相关 利用VLA的观测得到延展辐射(没有Doppler增亮的射电辐射)与宽线光度统计研究发现很好的相关. Cao&Jiang(MNRAS,2001,320,347) 利用VLA的观测得到延展辐射(没有Doppler增亮的射电辐射)与宽线光度统计研究发现很好的相关. 宽线光度的估算 Celotti et al. 的方法 1Jy, s4,s5样本

谱线辐射与VLA核辐射

喷流功率 活动星系核的喷流从亚pc尺度到Mpc尺度有着相干的结果，人们可以在不同的空间尺度上研究喷流的基本参数，并给出类似的结果。 如可以用FRII射电星系中喷流的大的延展的Lobe来估算喷流的功率。利用同步加速辐射理论或与热的X射线发射气体的互作用估算最小能量除以源的寿命（谱年龄等）。 射电核几乎与外部条件无关，如果我们可以估算喷流的速度及物理参数，人们估算喷流的运动光度。

理论上喷流的功率的估算是较复杂的问题 a）对FRII延展射电源, jet时间平均功率 Qint热斑内能(包括粒子和磁场) Qadv 热斑动能 Qexp热斑的膨胀能量 L 热斑辐射能量 Qlobes传送给Lobes的能量 大多数FRII射电源的同步加速辐射仅是喷流团块运动功率的一小部分。大部分储存在Lobe中及由于源膨胀对环境作功而损失。

由于同步加速辐射损耗及宇宙微波背景的逆康普顿散射损耗，同步加速辐射的高频谱将变陡，利用观测到的射电谱形状拟合可以发现谱发生变化的频率（break frequency). 用最小能量的假定（发射一个给定的同步加速光度的相对论性电子和磁场的总能量最小 ）近似相应于粒子与磁场能均分假定。估算磁场

谱年龄（Parma et al,1999，A&A，344，7） br break frequency in GHz B 磁场 in G BCMB＝3.2(1+z)2 G 微波背景辐射等效磁场 大多数延展源的谱年零估算在106-108年左右.

b)直接估算喷流团块的运动光度 利用VLBI观测结果（core角大小，流量）及X射线观测，估算，在某些假定条件下再估算团块Lorentz因子 共动坐标系中的电子密度 f~1 正负电子对 min=1 等离子体 min=100 （Celotti et al. MNRAS,1993,264,228）

Hirotani 2004 给出了一个类似的公式 <＋> 正电荷粒子的平均Lorentz因子 <－> 电子的平均Lorentz因子 <m+> 正电荷的质量

喷流功率与窄线光度 （方法a) Rawlings&Saunders (Nature,1991,349,138) 39个z<0.5 FRII射电星系样本. 能均分方法估算E 射电Lobe的谱年龄及其他估算年龄方法---T 发现喷流功率与窄发射线光度有很好的线性相关关系. T源寿命 =0.5

(Willott et al. ,MNRAS,1999，309，1017) (方法a) 定义：喷流的时间平均功率为由喷流从中央能源传送的总能量除以源的寿命 由产生所要求的同步加速辐射所需的内能，源寿命，及转换效率，可以估算喷流的平均功率。 窄线光度转换为电离光度。

Punsly (astroph0503267) 在假定Lobe中粒子占主导条件下（基于X射线观测）给出估算喷流运动光度的公式 结果表明与Willott等人给出的结果符合在2因子左右。

喷流运动光度与窄线光度（方法b) Celotti et al. 1993,MNRAS，264，228

X射线光度与光学发射线光度相关

Falck etal,(astroph0409125） 认为活动星系核可分为二大类 Disk主导的AGN 吸积率大于临界吸积率

对喷流主导的源 如果认为喷流来自光学厚的同步加速辐射，X射线来自光学簿的同步加速辐射 黑洞质量，光学厚射电核辐射，光学薄X射线辐射形成一个基本平面

射电辐射与中央黑洞质量的关系 一个自然的问题： 射电辐射的强弱是否联系到中央黑洞质量的大小 射电辐射是否联系到吸积率

FBQS类星体 （Lacy et al. 2001，ApJ,551，L17）

发现射电光度与黑洞质量及吸积率的相关 对L/LEdd~0.1 在低吸积率上相关变弱

Ho, 2001,ApJ,564,120 射电核辐射 总射电辐射

Snellen et al, 2003,MNRAS，342，889

射电辐射与中央黑洞质量(SDSS) (McLure&Javis,2004,)

经Kendall测试，作者认为黑洞质量与射电光度及射电噪度（R）都存在相关。 但是没有紧密的相关，在一个给定的黑洞质量上，射电光度可以覆盖好几个量级。 黑洞质量，吸积率，定向，寄主星系的性质，及成团环境都难以解释射电强及射电宁静。 黑洞自旋及演化效应可能必须考虑

Wang et al.,2004,ApJ,615,L9 利用Celotti et al （1997）方法估算35个Blazars 喷流的运动光度，发现喷流运动光度与disk光度相关，并发现如包括黑洞质量作为第二个参数相关进一步改善。

三 . 喷流加速问题 辐射压加速 吸积盘磁场加速 转动黑洞磁场加速

辐射压加速喷流模型 吸积盘内区的辐射压很大,吸积盘表面的部分物质在吸积盘辐射压作用下离开吸积盘. 当吸积率很大时,吸积盘内区的辐射压会使盘变厚,形成几何厚的盘,在盘的轴向形成漏斗状通道, 由于在通道内辐射的净流量有向内及向外的分量，所以物质被准直和加速. 加速区域大约在100Rs以内，这种加速机制可使喷流团块速度小于0.8c.如果喷流物质是正负电子对，团块的Lorentz因子可能达到3－4。喷流的半张角大于10度(Beam and Jet in Astrophysics).

吸积盘磁场加速喷流 吸积盘中得物质环绕中央黑洞转动,运动速度接近Kepler速度,由于磁冻结效应,吸积盘上的有序磁场会随吸积物质绕黑洞转动,盘表面的气体离开吸积盘沿磁力线加速运动. 喷流的动能来自吸积物质环绕黑洞转动的动能 需要有开放的有序磁场. 磁场与吸积盘面夹角小于60度时,喷流才能加速

转动黑洞磁场加速喷流 喷流的动能来自快速自转的黑洞动能 需要带电的转动黑洞产生磁场 转动黑洞的磁场只能有吸积盘中的电流来维持.

Junor et al. Nature,1999,401,891 中央黑洞质量 3*109太阳质量 Rs ~0.0003pc 喷流的强准直发生在离core ~30-100Rs处,并继续到~1000Rs处, 作者解释 喷流起源于disk的外流, 加速机制是MHD 模型

二种磁场加速喷流的比较 (Livio et al., ApJ, 1999, 512,100) 黑洞半径Rh 黑洞自旋角速度h, 极向磁场(poloidal)Bph 由BZ过程可以提取能量的最大速率(光度) 黑洞无量纲自转参数

吸积盘半径Rd (发射一半吸积光度的半径, ~几个Rh) Rd处吸积盘的角速度h, 吸积盘表面磁场极向分量(poloidal)Bpd 最大的吸积盘加速喷流的功率

取近似(盘作开普勒运动) 由BZ过程提取的喷流功率小于或等于吸积盘磁场加速喷流的功率,除非黑洞磁场大大大于吸积盘磁场. 作者认为产生黑洞磁场的电流一定在吸积盘中;与吸积盘中的物质相比较黑洞是较差的导体.

通常从disk提取的功率大于从转动黑洞提取的功率。 Cao ,2002,MNRAS,332,999 通常从disk提取的功率大于从转动黑洞提取的功率。 不同的磁场产生机制得到 Ljet/Lacc与吸积率不同的依赖关系

小结 简单的双向相对论性喷流模型可以解释绝大部分观测到的活动星系核的喷流形态和运动学特征. 射电强活动星系核的喷流在PC尺度上是高度相对论性的,许多活动星系核的喷流在Kpc尺度上还是亚相对论性的 尽管活动星系核喷流的观测研究取得了很大的进展,但是还不能完全回答: 喷流物质的主要成分是正负电子对还是等离子体? 喷流中的物理参数 难以准确地确定相对论性喷流相对于观测者地定向及速度

喷流形成和加速机制研究需要更高分辨率的VLBI观测. 至今仅M87和银河中心的观测可提供对模型有一定意义的约束. 在非均匀喷流模型中,同步加速的光学深度将限制更精细结构的观测 需要更高频率更高灵敏度的VLBI 提供对喷流形成和加速机制的约束

观测上活动星系核的射电喷流辐射与吸积盘的辐射有着直接的联系 统计研究表明喷流的辐射与中央黑洞质量及吸积率存在着一定程度的相关性 黑洞自旋的影响还难以观测的统计进行研究。演化效应的可能贡献还需要研究。 射电强与射电宁静活动星系核的物理差别至今还没有很好的物理解释. 喷流形成机制的研究可以解释若干观测结果，但是还难以给出肯定的结论

谢 谢