周俊彥 李臻臻 潘 翔 孫鹿鳴 姜 鵬 郝 蕾 周宏巖

(1 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)天文系合肥230026)

(2 中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)上海200030)

(3 中國(guó)極地研究中心上海200136)

1 引言

活動(dòng)星系核的發(fā)射線輪廓通常分為寬發(fā)射線(broad emission line, BEL)成分和窄發(fā)射線(narrow emission line, NEL)成分.但隨著觀測(cè)數(shù)據(jù)的增多和觀測(cè)質(zhì)量的提高,許多活動(dòng)星系核的光譜并不能很好地用這兩種成分?jǐn)M合, 而增加一個(gè)中等寬度發(fā)射線(intermediate-width emission line, IEL)成分后能取得良好的擬合結(jié)果.此外, 一般研究認(rèn)為寬發(fā)射線區(qū)(broad emission line region, BELR)和窄發(fā)射線區(qū)(narrow emission line region, NELR)在多個(gè)物理性質(zhì)方面存在較大差異.研究認(rèn)為, BELR通常離中心黑洞的距離在1 pc之內(nèi), 而NELR通常距離中心黑洞100 pc甚至更遠(yuǎn); 寬發(fā)射線的典型線寬為5000 km/s, 而窄發(fā)射線的線寬只有500 km/s; BELR和NELR的電子密度范圍也相差極大.BELR和NELR在很多物理性質(zhì)上的極大差異都在暗示, 存在介于傳統(tǒng)BELR和NELR之間的氣體的輻射.大約20多年前, 人們發(fā)現(xiàn)在活動(dòng)星系核(Active Galactic Nucleus, AGN)的發(fā)射線光譜中引入一個(gè)半峰寬度為2000 km/s的IEL成分會(huì)使譜線的擬合和測(cè)量取得更好的效果.

人們對(duì)IEL的研究途徑一般是利用譜線分解.Mason等[1]對(duì)RE J1034+396進(jìn)行譜線分解后, 在Hβ和[OIII]中得到IEL成分.因?yàn)槭窃诮€[OIII]中得到的IEL成分, 研究者認(rèn)為中等寬度發(fā)射線區(qū)(IELR)除了在速度彌散上介于BELR和NELR之間, 該區(qū)域的密度也介于BELR和NELR之間.但是Gonalves等[2]同樣對(duì)RE J1034+396進(jìn)行了譜線分解,在分解過(guò)程中沒(méi)有加入IEL成分, 只使用BEL和NEL進(jìn)行擬合, 發(fā)現(xiàn)不用IEL也能取得較好的結(jié)果, 因此Gonalves等人認(rèn)為并不需要引入IEL成分, 只用BEL和NEL就能夠很好地分解譜線[2].同年(1999年) Sulentic等[3]通過(guò)譜線分解認(rèn)為, CIV發(fā)射線中的IEL成分實(shí)際是產(chǎn)生自NELR的延展區(qū)域.

我們發(fā)現(xiàn)對(duì)于IEL的研究結(jié)論有著較大的差異, 這些研究主要是通過(guò)對(duì)發(fā)射線進(jìn)行譜線分解來(lái)研究發(fā)射線成分.然而譜線分解具有很大的不確定性, 而且BEL和NEL的存在使得探測(cè)可能介于兩者之間的IEL變得困難.BEL和NEL會(huì)對(duì)IEL的探測(cè)產(chǎn)生明顯干擾, IEL成分很容易被BEL和NEL所污染甚至覆蓋.對(duì)于上述在IELR研究中存在的分歧與困難, 之前的大部分研究并沒(méi)有給出很好的解決方案, 由于譜線分解的不確定性,他們研究的IEL成分是否真實(shí)存在也無(wú)法確定.研究IEL是否真實(shí)的關(guān)鍵是在最大程度上減少譜線分解產(chǎn)生的不確定性.而部分遮蔽類星體使得我們可以從發(fā)射線光譜中可靠地探測(cè)IEL.在部分遮蔽類星體中, 塵埃遮擋了來(lái)自AGN中心吸積盤以及吸積盤附近BELR的輻射.在這種條件下, 若IELR確實(shí)存在, 由于BEL在紫外波段被嚴(yán)重消光紅化, 在紫外波段的光譜中IEL將會(huì)變得明顯.Li等[4]在部分遮蔽類星體OI 287中利用塵埃環(huán)作為“日冕儀”遮蔽BEL探測(cè)到了顯著的IEL成分.這給我們很大啟發(fā), 當(dāng)BEL被遮蔽后, 其對(duì)IEL的影響將大大降低, 提供了探測(cè)IEL的機(jī)會(huì).

本文將同樣利用部分遮蔽效應(yīng), 對(duì)類星體SDSS J151653.22+190048.2 (簡(jiǎn)稱J1516+1900)展開(kāi)研究.相較于OI 287, J1516+1900具有豐富的紫外IEL, 這為我們準(zhǔn)確診斷IELR的物理性質(zhì)提供了可能.本文結(jié)構(gòu)如下: 第2節(jié)將展示J1516+1900相關(guān)觀測(cè)數(shù)據(jù)及譜線測(cè)量, 并對(duì)J1516+1900的消光情況進(jìn)行分析; 第3節(jié)將探討J1516+1900中IELR的起源位置和物理結(jié)構(gòu); 最后一節(jié)是本文的總結(jié)和展望.

2 J1516+1900的觀測(cè)數(shù)據(jù)及譜線測(cè)量

2.1 觀測(cè)數(shù)據(jù)

從紫外到近紅外, J1516+1900有4段光譜數(shù)據(jù).2002年2月11日, 哈勃空間望遠(yuǎn)鏡(Hubble Space Telescope, HST)上的空間望遠(yuǎn)鏡光譜儀(Space Telescope Imaging Spectrograph, STIS)拍攝了J1516+1900的紫外光譜, 所用光柵為G140L, 波長(zhǎng)范圍為1074–1774.同一天利用G230L光柵拍攝了波長(zhǎng)范圍1450–3000的紫外光譜.J1516+1900的光學(xué)波段光譜拍攝了兩條: 一條光譜由Lick天文臺(tái)Shane望遠(yuǎn)鏡的Kast光譜儀拍攝, 波長(zhǎng)覆蓋范圍為3400–7850; 另一條光譜由Palomar天文臺(tái)的Hale望遠(yuǎn)鏡的Double-Spec光譜儀拍攝,波長(zhǎng)范圍為3400–10400.此外,Palomar天文臺(tái)的Hale望遠(yuǎn)鏡的Triple-Spec光譜儀拍攝了J1516+1900的近紅外光譜, 光譜的波長(zhǎng)覆蓋范圍為9720–24629.我們對(duì)所有觀測(cè)數(shù)據(jù)都進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化處理, 其中近紅外光譜是使用Spextool中的軟件包Triplespectool處理的.

我們從GALEX(the Galaxy Evolution Explorer,Morrissey等[5])、SDSS(the Sloan Digital Sky Survey, York等[6])、2MASS(Two Micron All Sky Survey, Skrutskie等[7])和WISE (the Wide-field Infrared Survey Explorer, Wright等[8])等巡天中收集了這個(gè)源的測(cè)光數(shù)據(jù).

以上所有光譜和測(cè)光數(shù)據(jù)都根據(jù)Schlafly等[9]的塵埃分布得到的紅化量E(B ?V)=0.040做了銀河消光改正, 并按照紅移z =0.187轉(zhuǎn)換到靜止坐標(biāo)系.

2.2 譜線測(cè)量

J1516+1900的觀測(cè)光譜展示在圖1中.從這些光譜中可以看到, 紫外波段的發(fā)射線相較于光學(xué)紅外波段的發(fā)射線明顯窄了許多.紫外波段的發(fā)射線呈現(xiàn)出顯著的中等寬度的成分, 而光學(xué)紅外波段的發(fā)射線主要是寬線成分.為了進(jìn)一步研究這些發(fā)射線的輪廓, 我們分別對(duì)紫外、光學(xué)和紅外波段的光譜進(jìn)行局域連續(xù)譜擬合.對(duì)紫外光譜, 我們使用一個(gè)冪律譜在沒(méi)有強(qiáng)發(fā)射線的范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)譜擬合.對(duì)光學(xué)光譜, 使用一個(gè)冪律譜, 一個(gè)巴爾默連續(xù)譜(包括混合的高階巴爾默發(fā)射線)和由FeII的多重線構(gòu)成的偽連續(xù)譜3個(gè)成分?jǐn)M合.對(duì)紅外光譜, 使用一個(gè)冪律譜和一個(gè)表征塵埃熱輻射的黑體譜來(lái)擬合.這些擬合的連續(xù)譜展示在圖1中.

圖2展示了主要發(fā)射線(包括Lyβ、OVI、Lyα、NV、SiIV、CIV、Hβ、Hα、Paβ和Paα)在速度空間下的輪廓.我們將這些發(fā)射線分解為BEL, NEL以及IEL 3個(gè)成分.譜線的擬合方法和Li等[4]相同.在擬合過(guò)程中, 我們也假定不同發(fā)射線中相同的成分具有同樣的紅移和線寬.從圖2的擬合結(jié)果可以看到, 這樣的假定對(duì)J1516+1900較為符合.發(fā)射線的測(cè)量結(jié)果總結(jié)在表1中.

2.3 結(jié)果分析

為了探究J1516+1900寬線區(qū)的消光紅化情況, 我們將J1516+1900的寬發(fā)射線與通常類星體的寬發(fā)射線進(jìn)行對(duì)比.由于類星體平均譜的發(fā)射線由寬線成分占主導(dǎo), 我們使用對(duì)發(fā)射線整體強(qiáng)度測(cè)量(其中Lyβ、OVI、Lyα、NV、SiIV、CIV、Hβ、Hα取自Vanden Berk等[10]; Paβ和Paα取自Glikman等[11])作為寬發(fā)射線的近似.圖3中顯示了J1516+1900寬線強(qiáng)度與平均譜寬線強(qiáng)度的對(duì)比結(jié)果.我們將對(duì)比值在波長(zhǎng)最大的發(fā)射線Paα處歸一化.從圖中可以明顯看到, 寬線的強(qiáng)度比隨著波長(zhǎng)減小而明顯下降,這表示J1516+1900的寬線區(qū)可能被塵埃紅化.而且我們發(fā)現(xiàn)BEL的消光可以用小麥云(SMC)消光曲線較好地?cái)M合, 擬合結(jié)果給出E(B ?V)約為0.32.

圖1 J1516+1900的觀測(cè)光譜(黑色)及相應(yīng)的連續(xù)譜模型(紅色), 橫坐標(biāo)λrest為靜止系波長(zhǎng), 縱坐標(biāo)Fλ為對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)處的流量.上圖: HST-STIS拍攝的紫外(UV)光譜和冪律連續(xù)譜.中圖: 由Lick和Double-Spec合并的光譜.連續(xù)譜模型包括一個(gè)冪律譜(藍(lán)色), 一個(gè)巴爾默連續(xù)譜(紫色)和FeII的多重線構(gòu)成的偽連續(xù)譜(綠色).下圖: Triple-Spec觀測(cè)的近紅外(IR)光譜.連續(xù)譜包括一個(gè)冪律譜(藍(lán)色)和一個(gè)黑體譜(橙色).從這些光譜中可以看到, 紫外波段的發(fā)射線呈現(xiàn)出顯著的中等寬度成分, 而光學(xué)紅外波段的發(fā)射線主要是寬線成分.Fig.1 The observed spectra (black) of J1516+1900 overlaid with the continuum models (red).Top: The UV spectrum obtained by HST-STIS and a power-law continuum model.Middle: The optical spectra observed by Lick and Double-Spec.The continuum includes a power law (blue), a Balmer continuum(purple), and FeII pseudocontinuum (green).Bottom: The IR spectrum taken by Triple-Spec.The continuum includes a power law (blue) and a black body (orange).It can be seen from these spectra that the UV emission lines are dominated by the IEL components, while the optical and IR emission lines are dominated by the BEL components.

表1 J1516+1900發(fā)射線的測(cè)量結(jié)果Table 1 Measurements of the emission lines of J1516+1900

圖2 J1516+1900光譜中的強(qiáng)發(fā)射線在共同速度空間下的輪廓.按照波長(zhǎng)從短到長(zhǎng)的序列, 我們分別展示Lyβ、OVI、Lyα、NV、CIV、SiIV、Hβ、Hα、Paβ和Paα等主要發(fā)射線, 黑線為觀測(cè)光譜, 紅線為擬合的光譜.可以看到, 紫外波段的發(fā)射線主要由IEL主導(dǎo), 而光學(xué)紅外波段的發(fā)射線由BEL主導(dǎo).我們將這些發(fā)射線分解為BEL (橙線), NEL (綠線)以及IEL (青線)3個(gè)成分.Fig.2 The strong emission lines of J1516+1900 shown in their common velocity space.We show the main emission lines of Lyβ, OVI, Lyα, NV, CIV, SiIV, Hβ, Hα, Paβ, and Paα from short to long wavelengths, black lines are the observed spectrum, and red lines are the fitting spectrum.The UV emission lines are dominated by the IEL components, while the optical and IR emission lines are dominated by the BEL components.We have decomposed these emission lines into BEL (orange), NEL(green), and IEL (cyan) components.

圖3 J1516+1900的BEL與類星體平均譜BEL的強(qiáng)度對(duì)比(菱形), 并歸一化到Paα.隨著波長(zhǎng)變短, 兩者的強(qiáng)度比也隨之減小, 這提示寬發(fā)射線可能被紅化.BEL的消光可以用小麥云消光曲線(黑色實(shí)線)E(B ?V) = 0.32較好地?cái)M合.Fig.3 Intensity ratios (diamond) of the BELs in J1516+1900 to BELs in the composite quasar.The ratios are normalized to the unity at Paα.The intensity ratios gradually decrease from long to short wavelength lines, suggesting the BELs may be reddened.The BEL intensity can be modelled by an SMC-like extinction with E(B ?V) = 0.32 (the black solid line).

根據(jù)J1516+1900多波段光譜和測(cè)光數(shù)據(jù), 我們構(gòu)建了其寬波段SED (spectral distribution of energy, 圖4).作為對(duì)比, 我們?cè)趫D中同時(shí)畫了一條寬波段類星體的平均譜(Zhou等[12]; λ < 3000取自Vanden Berk等[10]; 3000< λ < 2 μm取自Glikman等[11]; λ > 2 μm取自Netzer等[13]), 并將其歸一化到J1516+1900的WISE–W3波段.觀測(cè)到的J1516+1900的SED在長(zhǎng)波段與類星體平均譜幾乎完全一致, 而在短波段的強(qiáng)度明顯弱于平均譜.我們用小麥云消光曲線和之前寬線的紅化量E(B ?V) = 0.32對(duì)類星體平均譜進(jìn)行紅化, 發(fā)現(xiàn)紅化后的平均譜(紅色線), 與J1516+1900的觀測(cè)能譜大體吻合.這顯示J1516+1900的寬線區(qū)和吸積盤可能經(jīng)歷了相同的塵埃消光過(guò)程.

3 討論

圖4 J1516+1900寬波段SED.橫坐標(biāo)λrest為靜止系波長(zhǎng), 縱坐標(biāo)Fλ為對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)處的流量.黑色實(shí)線代表觀測(cè)的光譜,綠色菱形代表觀測(cè)的測(cè)光數(shù)據(jù).藍(lán)色實(shí)線代表類星體的平均譜(歸一化到WISE–W3), 在長(zhǎng)波段, J1516+1900的SED與類星體的平均譜幾乎完全一致, 而在短波段J1516+1900 SED逐漸偏低.將類星體平均譜按照小麥云消光曲線和紅化量E(B ?V) = 0.32紅化后(紅色實(shí)線), 與J1516+1900 SED大體吻合.Fig.4 The broadband SED of J1516+1900.We plot the observed spectra (black solid line), the photometric data (green solid diamond), and the quasar composite spectrum (blue solid line) normalized at WISE–W3.The observed SED of J1516+1900 is identical to the composite quasar spectrum in long-ward portion, while gradually decreases in short-ward wavelengths.A reddened quasar composite spectrum (red solid line) by the SMC extinction with E(B ?V) = 0.32 can roughly model the observed SED of J1516+1900.

通常認(rèn)為活動(dòng)星系核的發(fā)射線是由光致電離過(guò)程產(chǎn)生的.如果認(rèn)同IEL也是由光致電離產(chǎn)生, 那么IELR氣體的電離狀態(tài)可以通過(guò)比較觀測(cè)到的IEL與光致電離模型來(lái)限定.借助CLOUDY (Version 13.03, Ferland等[15])程序, 我們做了一個(gè)光致電離的模擬.作為簡(jiǎn)化的模型, 我們假設(shè)中心電離源具有常規(guī)AGN的SED (我們采用CLOUDY模板庫(kù)里的MF87 SED, Mathews等[16]), 氣體具有太陽(yáng)金屬豐度, 且無(wú)塵埃并有足夠大的柱密度.通過(guò)變化電離氣體的密度nH和電離參數(shù)U的范圍,我們利用CLOUDY計(jì)算一個(gè)nH和U同時(shí)變化的2維網(wǎng)格.氣體密度和電離參數(shù)的變化范圍分別是nH～ 109? 1013cm?3、U ～ 10?3? 100.2者的變化步長(zhǎng)都是0.5 dex.圖5是光致電離模型計(jì)算的結(jié)果.圖中畫出不同發(fā)射線對(duì)Lyα的流量比的等值線.我們利用J1516+1900紫外光譜中顯著的IEL來(lái)限定發(fā)射區(qū)的物理參量.圖中填充的區(qū)域代表1σ測(cè)量誤差的觀測(cè)范圍.由圖可見(jiàn), 在這個(gè)2維平面上, 觀測(cè)值在參數(shù)空間nH～ 1012cm?3和U ～10?0.65附近處形成一個(gè)交集(圖中五角星的位置).氣體到中心電離源的距離可以估計(jì)為其中L是中心電離源的單色光ν度, 積分范圍包括所有氫的電離光子, c為真空光速, h為普朗克常數(shù), ν為頻率.在圖5中,我們用虛線畫出了氣體到電離源距離的等值線.根據(jù)上面限定的nH和U的參數(shù)區(qū)域,J1516+1900 IELR距離中心電離源的距離約0.016 pc.

由光致電離模型給出的IELR的位置, 比由維里化估算出的結(jié)果小2個(gè)量級(jí).2者存在的矛盾預(yù)示IELR可能有較為復(fù)雜的物理結(jié)構(gòu).(1)如果光致電離模型的估算是正確的,那么IEL維里化的假設(shè)在J1516+1900這個(gè)天體中可能是有問(wèn)題的.J1516+1900的IELR或許是一個(gè)傾向于扁平的幾何結(jié)構(gòu), 這個(gè)區(qū)域的氣體運(yùn)動(dòng)接近類似開(kāi)普勒的軌道運(yùn)動(dòng).在這種情況下, 觀測(cè)者視線方向上看到的氣體發(fā)射線, 可以表現(xiàn)為比通常BEL更窄一些的中等寬度的速度展寬; (2)按照Bentz等[17]給出的AGN連續(xù)譜光度與寬線區(qū)半徑的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系, 利用J1516+1900消光改正后測(cè)量的5100處的連續(xù)譜光度, 得到這個(gè)源的BELR到中心的距離RBELR～0.12 pc.可見(jiàn), IELR要比BELR更靠近中心黑洞.通常我們認(rèn)為, AGN附近的電離氣體, 距離中央黑洞越近, 產(chǎn)生的發(fā)射線越寬.但從對(duì)J1516+1900的IEL分析結(jié)果來(lái)看, 可能并不總是這樣的; (3)從前文的分析中, 我們看到J1516+1900的吸積盤和BELR很可能都經(jīng)歷了塵埃消光, 而光譜中顯著的IEL意味著這個(gè)源的IELR沒(méi)有經(jīng)歷塵埃消光.Baskin等[18]的研究認(rèn)為, AGN吸積盤在靠外的區(qū)域會(huì)鼓起, 從而容易被吸積盤內(nèi)區(qū)發(fā)出的輻射電離后形成BEL.BELR在靠外的部分存在塵埃, 并向內(nèi)延伸至約0.18RBELR的位置處開(kāi)始過(guò)渡到無(wú)塵埃的區(qū)域.在這個(gè)情況下,J1516+1900的IELR或許是傳統(tǒng)BELR中靠電離源更近的那一部分, 在這個(gè)區(qū)域里, 強(qiáng)烈的電離光子將塵埃升華, 而觀測(cè)到紅化BEL和連續(xù)譜是來(lái)自比較靠外的還有塵埃存在的區(qū)域.對(duì)這些理論假設(shè)的驗(yàn)證需要我們觀測(cè)更多類似J1516+1900的部分遮蔽類星體并進(jìn)行系統(tǒng)的分析研究.

4 總結(jié)與展望

利用部分遮蔽類星體J1516+1900來(lái)探測(cè)IEL是本文的主要工作.巴爾末減幅偏大以及寬線強(qiáng)度與類星體平均譜的對(duì)比結(jié)果都提示塵埃遮蔽使得J1516+1900的BEL被嚴(yán)重消光紅化, 從而線寬FWHM～1700 km/s的IEL成分主導(dǎo)了紫外波段的發(fā)射線.在長(zhǎng)波段J1516+1900的寬波段SED與類星體平均譜基本一致, 而隨著波長(zhǎng)的變短SED逐漸變低.J1516+1900觀測(cè)譜中的寬發(fā)射線和連續(xù)譜都可以用小麥云消光曲線按照E(B ?V) = 0.32近似擬合, 顯示J1516+1900的寬線區(qū)和吸積盤可能經(jīng)歷了相同的塵埃消光過(guò)程.我們采用了兩種獨(dú)立的途徑估計(jì)J1516+1900的IELR位置: (1)在維里化的假設(shè)下, 根據(jù)J1516+1900 IEL的線寬和中央超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量MBH～5.75×108M⊙,估計(jì)IELR到中央黑洞的距離約為1.6 pc; (2)結(jié)合光致電離模型和J1516+1900 IEL的強(qiáng)度, 我們將J1516+1900中等寬度發(fā)射區(qū)的電離氣體限定在密度nH～1012cm?3、U ～10?0.65附近, 并由此估計(jì)IELR到中央黑洞的距離為～0.016 pc.由光致電離模型給出的IELR位置, 比由維里化估算出的結(jié)果小2個(gè)量級(jí).2者存在的矛盾預(yù)示IELR可能有較為復(fù)雜的物理結(jié)構(gòu), 我們初步探討了J1516+1900中IELR可能的物理結(jié)構(gòu).將來(lái)觀測(cè)更多類似J1516+1900的部分遮蔽類星體并進(jìn)行系統(tǒng)的分析研究, 有可能為揭示AGN發(fā)射區(qū)物理性質(zhì)提供有用的研究線索.