羅 丹，張皓晶，張 雄，丁 楠

(云南師范大學物理與電子信息學院，云南 昆明 650500)

活動星系核黑洞核球質量及宇宙學紅移關系研究*

羅 丹，張皓晶，張 雄，丁 楠

(云南師范大學物理與電子信息學院，云南 昆明 650500)

通過文獻收集了90個活動星系核樣本，研究黑洞質量與核球質量的關系，分析黑洞質量及核球質量比與宇宙學紅移的關系，進而研究活動星系核的演化關系，結果表明：(1)在Seyfert星系中黑洞質量與核球質量無明顯相關，類星體中則呈線性相關；(2)活動星系核演化序列由類星體演化到Seyfert星系。

活動星系核；黑洞質量；核球質量；紅移

活動星系核的演化實質上是天體在宇宙時標上的演化，而宇宙時標主要與宇宙學紅移有關[1-2]。不同的天體有不同的宇宙學紅移，因此可以利用宇宙學紅移研究天體的演化[3]。Seyfert 星系與類星體作為活動星系核的兩個子類，兩者之間存在怎樣的演化關系，文[4]和文[5]分別在1996年與1988年提出了從類星體到Seyfert星系的演化關系，現(xiàn)已有許多研究者從多方面對其進行了驗證，如文[6]通過研究黑洞質量與紅移的關系驗證了從類星體到Seyfert 星系的演化。

現(xiàn)有的觀測證據(jù)表明超大質量黑洞與其寄主星系的形成和演化密切相關(即黑洞質量與核球質量關系)[7-8]。黑洞質量與核球質量成比例的關系，但此種關系依照現(xiàn)有的研究來看有線性的，也有非線性的。本文在分析黑洞質量與核球質量之間關系的同時分析黑洞核球質量比與紅移的關系，以此研究活動星系核的演化。

1 數(shù)據(jù)及分析

本文從文獻中收集了45個Seyfert星系[7,9]和45個類星體[10-12]共90個樣本的黑洞質量、核球質量、紅移、熱光度。利用熱光度和黑洞質量計算得出熱光度與愛丁頓光度比值。利用黑洞質量與核球質量算出其比值。90個樣本見表1，表1中(1)樣本名稱；(2)樣本類型(S為Seyfert 星系，Q為類星體)；(3)紅移值；(4)Hβ的FWHW值，以kms-1為單位；(5)熱光度Lbol的對數(shù)值，以ergs-1為單位；(6)黑洞質量對數(shù)值，質量以M⊙為單位；(7)核球質量的對數(shù)值，質量以M⊙為單位；(8)黑洞質量與核球質量比的對數(shù)；(9)熱光度與愛丁頓光度比值；(10)參考文獻。

1.1 黑洞質量計算方法

1.1.1Mbh-σ*關系方法

文[13-15]提出黑洞質量和寄主星系之間大致存在比例關系，即使黑洞質量有～0.5%的散射。文[16-17]發(fā)現(xiàn)黑洞質量與σ*之間存在緊密的相關，其中σ*是黑洞引力作用之外恒星半徑方向的視向速度彌散度，文[18]給出了黑洞質量與σ*的關系式：

MBH=(108.13M⊙)(σ*/200 kms-1)4.02，

(1)

表1 Seyfert星系與類星體樣本

續(xù) 表

1.1.2 反響映射法(Reverberation Mapping)——Virial 黑洞質量

(2)

(3)

(2)式中，G表示引力常量；RBLR為寬線區(qū)半徑；VBLR為寬線區(qū)氣體的開普勒速率[19]。(3)式中，f表示幾何因子；λLλ表示光度在相應波長處的光度與波長的乘積；FWHM表示Hβ的半峰全寬值；M⊙表示太陽質量[20]。

1.1.3MBH-Lbulge關系方法

log(MBH/M⊙)=-0.50MR-2.60，

(4)

(5)

核球V波段的絕對星等與R波段絕對星等存在關系V-R=0.8。本文采用黑洞質量皆由反響映射法計算得出。

1.2 核球質量計算方法

由正常星系質量-光度關系得到logMbulge[7]：

log(Mbulge/M⊙)=1.18log(Lbulge/L⊙)-1.11，

(6)

2 統(tǒng)計分析

2.1 黑洞質量與核球質量的關系

從圖1中可以看出Seyfert 黑洞質量與核球質量之間沒有明顯的相關性，采用最小二乘法線性擬合為

logMbulge=(0.23±0.13)logMBH+(4.83±1.32)，

(7)

其中相關系數(shù)為R=0.27；隨機概率P=0.078。

從圖2中可以看出類星體黑洞質量與核球質量之間呈線性相關的關系，采用最小二乘法線性擬合為

logMbulge=(0.38±0.09)logMBH+(3.83±1.01)，

(8)

其中相關系數(shù)為R=0.53；隨機概率P=0.0001。

圖1 Seyfert星系黑洞與核球質量關系

圖2 類星體黑洞與核球質量關系

圖3為45個Seyfert 和45個類星體的黑洞核球質量比的分布直方圖。

2.2 黑洞核球質量比與紅移的關系

圖4為黑洞核球質量比與紅移z的關系圖，從圖中可以看出類星體主要分布在右部分，隨著演化進行，紅移逐漸減小，且紅移量為表征天體演化年齡的重要因素，到紅移量較低時，類星體過渡到Seyfert星系，從而可以得到類星體到Seyfert星系的演化。

圖5為熱光度與愛丁頓光度之比與紅移z的關系圖，圖5為圖4的參考，且因為本文相關文獻中得到的可靠Lbol/LEdd數(shù)量較少，所以只有部分Seyfert星系和類星體有數(shù)值。從圖中可以看出較高紅移的類星體出現(xiàn)在早期，隨著演化的進行，Lbol/LEdd值減小，當紅移到達一定值時，Seyfert星系過渡到類星體。

圖3 黑洞核球質量比的分布直方圖(實線為Seyfert 星系，虛線為類星體)

Fig.3 Histograms of the ratios of the black-hole mass values to the bulge-mass values in the sampled Seyfert galaxies (in solid lines) and quasars (in dashed lines)

圖4 黑洞核球質量與紅移關系

圖5 熱光度與愛丁頓光度比與紅移關系

3 結論和討論

從以上的圖像結果分析可得：(1)Seyfert星系黑洞質量與核球質量沒有明顯的相關性，而類星體黑洞質量與核球質量之間呈線性相關；(2)通過對黑洞核球質量比與紅移關系的研究發(fā)現(xiàn)類星體與Seyfert星系之間的演化關系為類星體到Seyfert星系。

本文通過研究黑洞與核球質量比與紅移z的關系模擬活動星系核的演化，得出了從類星體到Seyfert星系的演化序列，與文[3-4]用黑洞質量與紅移以及吸積率、熱光度與紅移關系得出的演化關系基本一致。但樣本是依據(jù)現(xiàn)有能找到的活動星系核的核球質量及其紅移的大小選擇的，從現(xiàn)有的活動星系核的核球質量得到樣本這一點上來說存在一定的選擇效應，但是對于本文預設的科學目標沒有很大的影響，且本文在紅移z在0.3～0.5范圍內無有效數(shù)據(jù)，在今后的工作中將收集在這一紅移段的相關數(shù)據(jù)，對活動星系核的演化作進一步的研究。在黑洞質量與核球質量關系中發(fā)現(xiàn)Seyfert星系黑洞質量與核球質量無明顯的相關，說明黑洞對于外界物質的吸收不具規(guī)律，而類星體呈線性相關。鑒于此，是否可以說明相較于類星體，Seyfert星系更為活躍，抑或是由于樣本容量較小，出現(xiàn)這樣的結果。此外，不同類型的活動星系核具有不同的宇宙學紅移，從現(xiàn)有的觀測結果來看，類星體紅移較高，Seyfert星系紅移較低，但因為Seyfert星系的光度較小，可能存在高紅移的Seyfert星系沒有被觀測到，或者已經(jīng)演化；再者，Seyfert星系為漩渦星系，類星體為橢圓星系，當漩渦星系越旋越緊，最后將變成橢圓星系[12]。從以上兩點來看活動星系核的演化序列也可能是Seyfert星系到類星體，具體應該是怎樣的結果將在以后的工作中收集更多的證據(jù)加以證明。

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A Study of Relations of Black-Hole Mass Values and Bulge-Mass Values to Redshifts of AGN

Luo Dan, Zhang Haojing, Zhang Xiong, Ding Nan

(College of Physics and Electronics, Yunnan Normal University, Kunming 650500, China, Email: kmzhanghj@163.com)

In this paper we present a study of relations of black-hole mass values and bulge-mass values to redshifts of 90 AGN in Seyfert galaxies and quasars collected by us from various

. Our study covers the subject of evolution of ratios of the black-hole mass values to the bulge-mass values. Our results are as follows. (1) There is a linear correlation below black-hole mass values and bulge-mass values in quasars, but there is no clear correlation between such ratios and redshifts for Seyfert galaxies. (2) Our results support the notion that the evolution of AGN is in the sequence of from quasars to Seyfert galaxies.

AGN; Black-hole mass; Bulge mass; Redshift

國家自然科學基金 (11163007)；國家自然科學基金 (U1231203)； 云南省自然科學基金 (2012FB140)資助.

2015-03-05；修定日期：2015-05-06

羅 丹，女，碩士. 研究方向：天體物理. Email: 909391639@qq com

張皓晶，男，副教授. 研究方向：天體物理. Email: kmzhanghj@163 com

P157.7

A

1672-7673(2015)04-0403-07

CN 53-1189/P ISSN 1672-7673