活動(dòng)星系核中塵埃的模型的建立與分析

葉凱

摘 要：前我們對(duì)活動(dòng)星系核核周塵埃的了解甚少。觀測(cè)表明，活動(dòng)星系核中塵埃的組成成分及尺寸與銀河系星際塵埃有很大的區(qū)別，比如說活動(dòng)星系核的消光曲線比銀河系星際消光曲線來得更平坦甚至呈灰色；2175A消光駝峰幾乎不見于活動(dòng)星系核；在Ⅰ型活動(dòng)星系核和Ⅱ型活動(dòng)星系核中觀測(cè)到的異常硅酸鹽發(fā)射和吸收光譜特征。為了解釋觀測(cè)到的活動(dòng)星系核紅外發(fā)射光譜能量分布，人們提出了許多塵埃模型。這些塵埃模型約束了塵埃的尺寸分布、大小以及幾何結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：活動(dòng)星系核；消光駝峰；光譜能量；塵埃模型

一、引言

活動(dòng)星系核（active galactic nuclei，簡(jiǎn)寫為AGN）是一類中央核區(qū)活動(dòng)性很強(qiáng)的河外星系，它包括塞弗特星系、類星體、射電星系、低電離核發(fā)射區(qū)（LINER）、蝎虎座BL天體、光變激變星系以及窄線X射線星系等，它是天體物理學(xué)研究的熱門課題之一。觀測(cè)證實(shí)其射電和高頻輻射之間存在明顯的各向異性，這就意味著活動(dòng)星系核的分類以及觀測(cè)特征很大程度上依賴于觀測(cè)的取向。隨著活動(dòng)星系核觀測(cè)的發(fā)展，學(xué)者們?cè)噲D用統(tǒng)一模型來對(duì)其進(jìn)行解釋。Antouncci和Miller提出了統(tǒng)一模型理論，他們認(rèn)為呈現(xiàn)不同觀測(cè)特征的活動(dòng)星系核在物理本質(zhì)上屬于同一類天體，活動(dòng)星系核外圍環(huán)繞著一個(gè)光學(xué)厚塵埃環(huán)（optically thick dust torus），不同類型的活動(dòng)星系核只是因觀測(cè)者視線相對(duì)于活動(dòng)星系核對(duì)稱軸的取向不同而已。Ⅰ型活動(dòng)星系核（Type 1 AGNs）是觀測(cè)者沿著塵埃環(huán)軸的方向看去，因而能看到核區(qū)、寬線區(qū)和窄線區(qū)；Ⅱ型活動(dòng)星系核（Type 2 AGNs）是觀測(cè)者沿著塵埃環(huán)方向看去，由于核區(qū)和寬線區(qū)被塵埃環(huán)擋住，因而只能看到窄線和很弱的核區(qū)輻射。統(tǒng)一模型試圖用盡可能少的參數(shù)來解釋活動(dòng)星系核，它假定了活動(dòng)星系核本質(zhì)上并非如觀測(cè)到的那樣存在差異性和多樣性。

二、活動(dòng)星系核中塵埃的模型

活動(dòng)星系核中塵埃的模型主要可以分為兩類：

1.活動(dòng)星系核的統(tǒng)一模型認(rèn)為，從活動(dòng)星系核中心發(fā)出的高能電磁輻射會(huì)加熱寬線區(qū)外的塵埃，從而使塵埃在紅外波段發(fā)生熱輻射

對(duì)活動(dòng)星系核中紅外波段光譜的研究對(duì)于驗(yàn)證統(tǒng)一模型，明確塵埃的分布、塵埃環(huán)的結(jié)構(gòu)以及對(duì)活動(dòng)星系核的分類等都有十分重要的意義。為了解釋觀測(cè)到的活動(dòng)星系核紅外發(fā)射光譜能量分布（被活動(dòng)星系核光照加熱的塵埃輻射出的能量），人們提出了許多塵埃模型。這些塵埃模型約束了塵埃的尺寸分布、大小以及幾何結(jié)構(gòu)，如：Pier和Krolik提出的均勻密度的環(huán)形圈（柱狀）模型，該模型的塵埃在環(huán)中連續(xù)分布且密度均勻，并且其對(duì)來自活動(dòng)星系核中心源的輻射呈光學(xué)厚，其紫外消光超過1000星等。但是該模型不能用以解釋某些Ⅱ型活動(dòng)星系核中的硅酸鹽發(fā)射譜以及Ⅰ型活動(dòng)星系核中硅酸鹽發(fā)射中心區(qū)域較平緩且峰值向長(zhǎng)波移動(dòng)的現(xiàn)象；Laor和Drain提出的幾千pc光學(xué)厚平行平面板模型，該模型是在對(duì)NGC1068空間分辨的圖像研究的過程中發(fā)現(xiàn)的，他們認(rèn)為塵埃的發(fā)射不僅僅限于環(huán)中，天體在中紅外的發(fā)射可以延展到很大的尺度。

2.硅酸鹽塵埃模型

硅酸鹽塵粒是銀河系和其他星系星際介質(zhì)的主要成分之一。研究表明硅酸鹽的發(fā)射與塵埃的溫度，幾何形狀，及其密度分布密切相關(guān)。我們從文獻(xiàn)和Spitzer數(shù)據(jù)庫(kù)中收集了大量不同類型的活動(dòng)星系核Spitzer紅外光譜，這些活動(dòng)星系核的9.7μm硅酸鹽發(fā)射和吸收特征具有不同的特征強(qiáng)度、峰值波長(zhǎng)和寬度。利用不同組測(cè)量出的宇宙塵埃模擬介電函數(shù)建立了一個(gè)包含不同顆粒成分和尺寸（從a=0.1μm上至10μm）的塵埃樣本庫(kù)（opacity library）。

依據(jù)Laor和Draine的“平行平面板”模型的輻射轉(zhuǎn)移法和“樣本庫(kù)”對(duì)3個(gè)活動(dòng)星系核樣本（3C 273、NGC 3998和NGC 7213）的紅外光譜進(jìn)行擬合，以此從最佳擬合結(jié)果中得到塵埃的組成和尺寸的性質(zhì)。這3個(gè)活動(dòng)星系核的18μm 特征譜與銀河系硅酸鹽光譜不同，尤其是3C 273 和NGC 7213有著很強(qiáng)的紅波尾翼和18μm O-Si-O彎曲帶。我們考慮了不同的塵埃種類及塵埃尺寸，利用MIE散射理論計(jì)算出塵埃的吸收截面以及塵埃的熱平衡溫度，從而計(jì)算出了活動(dòng)星系核中塵埃的發(fā)射光譜。把各種塵埃種類及其不同尺寸對(duì)應(yīng)的溫度反復(fù)測(cè)試進(jìn)而得出了最佳擬合結(jié)果。

三、結(jié)論

為了解釋觀測(cè)到的活動(dòng)星系核紅外發(fā)射光譜能量分布（被活動(dòng)星系核光照加熱的塵埃輻射出的能量），人們提出了許多塵埃模型.這些塵埃模型約束了塵埃的尺寸分布、大小以及幾何結(jié)構(gòu)。我們對(duì)3個(gè)活動(dòng)星系核樣本（3C 273、NGC 3998和NGC 7213）的紅外光譜進(jìn)行擬合，得出了活動(dòng)星系核中的硅酸鹽塵埃尺寸應(yīng)該是>1μm的結(jié)論，這比銀河系彌散星際介質(zhì)中的塵埃的典型尺寸（0.1μm）要大得多。

參考文獻(xiàn)：

[1]Pier E A， Krolik J H. Infrared spectra of obscuring dust tori around active galactic nuclei. I-Calculational method and basic trends [J]. The Astrophysical Journal， 1992， 401： 99-109.

[2]Laor A， Draine B T. Spectroscopic constraints on the properties of dust in active galactic nuclei [J]. Astrophysical Journal， 1993， 402（2）： 441-468.

[3]Spoon H W W， Keane J V， Tielens A G G M， et al. Ice features in the mid-IR spectra of galactic nuclei [J]. Astronomy and Astrophysics， 2002， 385（3）： 1022-1041.

（作者單位：成都理工大學(xué)地球物理學(xué)院）