摘 要:現(xiàn)在普遍相信類(lèi)星體的反饋會(huì)調(diào)節(jié)寄主星系形成的進(jìn)程，但其中具體的物理過(guò)程依然是個(gè)謎.類(lèi)星體的外流是一個(gè)重要的候選者.為了確定外流的重要性，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)天體物理中心開(kāi)展了寬吸收線(xiàn)類(lèi)星體的一系列研究，取得了一些進(jìn)展: (1)寬吸收線(xiàn)區(qū)的紫外吸收物質(zhì)的柱密度比原來(lái)預(yù)計(jì)高出2個(gè)量級(jí)，低電離吸收線(xiàn)形成于飽和的高電離吸收線(xiàn)區(qū)；（2）射電寧?kù)o的寬吸收類(lèi)星體吸收物質(zhì)主要在赤道面，并且不同的源吸收物質(zhì)分布情況很不相同，而在射電強(qiáng)的類(lèi)星體中，赤道和極向外流都是可能的；（3）共振散射線(xiàn)偏振表明，外流物質(zhì)攜帶角動(dòng)量.

關(guān)鍵詞:類(lèi)星體， 吸收線(xiàn)

The physics of broad absorption line quasars

WANG Ting\|Gui

(Center for Astrophysics ， University of Science and Technology of China， Hefei 230026， China)

AbstractQuasar feedback is considered a crucial process in galaxy formation and evolution; however， details of the physical process remain a mystery. Quasar outflow is one possible process. To assess the importance of quasar outflow we have performed a series of studies on broad absorption line (BAL) quasars， and have obtained the following results. （1）The UV absorption column density is an order of magnitude higher than previously believed， and low ionization BALs are formed in the high ionization zone. (2) In radio\|quiet BAL quasars， the outflow is mainly confined to the equatorial directionwhile in radio\|loud ones both equatorial and polar outflows are possible. (3) The polarization of resonantly scattered lines suggests that the outflow carries large angular momentum.

Keywordsquasars， absorption lines



1 引言

一些星系中心的超大質(zhì)量黑洞吸積周?chē)臍怏w，氣體在下落到黑洞過(guò)程中將巨大的引力結(jié)合能轉(zhuǎn)換成粒子的熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能，產(chǎn)生大量的電磁輻射，同時(shí)吸積也是大質(zhì)量黑洞增長(zhǎng)的過(guò)程.它們的輻射光度甚至超過(guò)整個(gè)星系的恒星光度百倍，我們稱(chēng)這些天體為活動(dòng)星系核.近10年來(lái)的觀測(cè)表明，幾乎所有大質(zhì)量星系的中心都存在超大質(zhì)量黑洞，核活動(dòng)是星系演化的一個(gè)特殊階段.人們普遍相信核活動(dòng)巨大的能量輸出使得它在星系演化的過(guò)程中起關(guān)鍵的作用，產(chǎn)生了一系列觀測(cè)到的黑洞質(zhì)量與星系參數(shù)的相關(guān)性.類(lèi)星體是高光度的活動(dòng)星系核統(tǒng)稱(chēng).

大約10%—20%的類(lèi)星體具有寬的、藍(lán)移的離子吸收線(xiàn)，這些類(lèi)星體被稱(chēng)為寬吸收線(xiàn)類(lèi)星體（BAL QSO）.最常見(jiàn)的紫外吸收線(xiàn)有CIV1549， NV1240， Lyα， SiIV1397， OVI1032， MgII2798， AlIII1870 等類(lèi)Li離子共振吸收線(xiàn)（如圖1所示），這些吸收線(xiàn)是由類(lèi)星體部分電離的高速外流物質(zhì)吸收連續(xù)譜產(chǎn)生的，外流的速度可高達(dá)0.1c—0.2c(c為光速).如果這些外流具有足夠的質(zhì)量外流速率，它可能是聯(lián)接核活動(dòng)與星系演化的關(guān)鍵物理過(guò)程，同時(shí)也將對(duì)吸積過(guò)程產(chǎn)生重要影響. 因此確定寬吸收線(xiàn)類(lèi)星體物理參數(shù)近年來(lái)受到特別重視.

本文將介紹寬吸收線(xiàn)類(lèi)星體的研究背景和我們近年來(lái)在這方面開(kāi)展的一些研究工作，包括吸收物質(zhì)的柱密度，外流的幾何以及外流角動(dòng)量的確定等. 

2 寬吸收類(lèi)星體中外流的基本圖像

目前對(duì)寬吸收線(xiàn)類(lèi)星體有2類(lèi)截然不同的觀點(diǎn)：人們較為普遍接受的觀點(diǎn)是，所有的類(lèi)星體都具有寬吸收線(xiàn)外流， 但外流只覆蓋一少部分的立體角，換言之，只在類(lèi)星體的一些視線(xiàn)方向上觀測(cè)到了外流；另一類(lèi)觀點(diǎn)是，只有一些特殊的類(lèi)星體具有寬吸收線(xiàn)外流.觀測(cè)檢驗(yàn)這2個(gè)觀點(diǎn)的主要方法是：（1）通過(guò)比較BAL QSO吸收線(xiàn)區(qū)的覆蓋因子與觀測(cè)到寬吸收線(xiàn)類(lèi)星體的比例， 如果二者一致，則支持第一類(lèi)模型；（2）檢驗(yàn)BAL QSO與非BAL QSO性質(zhì)在統(tǒng)計(jì)上的差別， 如果有差別，則二者可能是不同的. 第一類(lèi)檢驗(yàn)主要通過(guò)離子共振散射譜線(xiàn)的強(qiáng)度與理論模型預(yù)言的比較來(lái)確定.對(duì)大部分吸收線(xiàn)而言，離子與光子的作用并不是真吸收而是共振散射，因而通過(guò)測(cè)量別的方向上散射過(guò)來(lái)的光就可以確定散射物質(zhì)覆蓋的區(qū)域.這一方法給出寬吸收線(xiàn)區(qū)的覆蓋因子上限為30%，但一定程度上與模型相關(guān). 第二類(lèi)方法發(fā)現(xiàn)BAL與非 BAL QSO只在發(fā)射線(xiàn)輪廓上有細(xì)微差別，BAL QSO的CIV線(xiàn)更加藍(lán)移，這可能說(shuō)明它們有不同，或者只是二類(lèi)系統(tǒng)不同的視角方向引起的，前者支持第一種觀點(diǎn)，而后者支持第二種觀點(diǎn)，因此第二類(lèi)方法并沒(méi)有給出明確的傾向.

寬吸收線(xiàn)外流是由輻射加速的，如果外流的電離程度合適，活動(dòng)星系核強(qiáng)的紫外輻射可以非常有效地加速物質(zhì)外流.在光學(xué)薄的情況下，輻射加速度可以寫(xiě)成：

其中σν為單位質(zhì)量物質(zhì)對(duì)頻率為ν的光子的吸收截面，Lν為頻率ν處單位頻率間隔的光度，λ為平均吸收截面與電子散射截面之比，LUV為積分光度，LEdd為完全電離的氫輻射壓與引力平衡時(shí)輻射光度(稱(chēng)為Eddington光度)， M為黑洞的質(zhì)量.對(duì)于典型的類(lèi)星體而言，LUV/LEdd~0.1，λ取決于具體的吸收過(guò)程， 主要包括譜線(xiàn)的共振散射或者連續(xù)譜的光電吸收過(guò)程. 對(duì)于典型的類(lèi)Li離子電離物質(zhì)而言，共振散射的截面與光電吸收的截面之比量級(jí)為105.但共振散射只能發(fā)生在吸收物質(zhì)共同坐標(biāo)系共振頻率附近，很容易飽和，因此它的重要性取決于吸收物質(zhì)的速度梯度.對(duì)于共振散射光學(xué)厚的物質(zhì)，二者的相對(duì)重要性由柱密度的速度梯度（n(dr/dν)）以及電離連續(xù)譜的形狀決定.在考慮的電離度范圍，λ估計(jì)在10—10000之間. 在一些情況下，塵埃的吸收也是重要的輻射力來(lái)源.觀測(cè)上發(fā)現(xiàn)吸收線(xiàn)輪廓的一些特征也表明共振線(xiàn)輻射壓是外流的重要加速機(jī)制，如CIV吸收坑中有時(shí)在速度5800km/s處有剩余流量的峰，這是由于NV離子吸收類(lèi)星體強(qiáng)的Lyα發(fā)射線(xiàn)后獲得額外的加速度而使得該速度段的離子數(shù)目降低引起的.

一些寬吸收線(xiàn)類(lèi)星體的吸收坑的深度比局部連續(xù)譜深，從而要求寬吸收線(xiàn)物質(zhì)同時(shí)也吸收發(fā)射線(xiàn)，換言之，寬吸收線(xiàn)區(qū)在發(fā)射線(xiàn)區(qū)外.對(duì)于類(lèi)星體，典型的寬發(fā)射線(xiàn)區(qū)的尺度為1016—1017cm， 作為比較，典型的108M質(zhì)量黑洞的半徑為1.5×1013cm.寬吸收線(xiàn)區(qū)可能延伸到pc（秒差距）尺度.從紫外吸收坑我們可以估計(jì)吸收離子柱密度的下限，這個(gè)下限對(duì)應(yīng)的物質(zhì)柱密度只有1021cm-2， 從吸收線(xiàn)輪廓看，吸收物質(zhì)是連續(xù)地外流，從而估計(jì)吸收物質(zhì)密度只有105—106cm-3.這種低密度的物質(zhì)暴露在類(lèi)星體的強(qiáng)輻射場(chǎng)中，物質(zhì)的電離程度很高，類(lèi)Li離子很難存在.一種解決方案是，在寬吸收線(xiàn)的內(nèi)部存在高電離的吸收物質(zhì)，這些物質(zhì)吸收軟X射線(xiàn)，從而保證外面的類(lèi)Li離子的存在.寬吸收線(xiàn)類(lèi)星體中觀測(cè)到強(qiáng)的軟X射線(xiàn)吸收支持這種解決方案.