HI 吸收線星系中的射電連續(xù)譜研究

宋 文，吳忠祖，顧敏峰，朱 明，米立功,4，彭 毫

(1.貴州大學(xué) 物理學(xué)院，貴陽 550025；2.中國科學(xué)院 上海天文臺 星系與宇宙學(xué)重點實驗室，上海 200030；3.中國科學(xué)院 國家天文臺，北京 100012；4.黔南民族師范學(xué)院 物理與電子科學(xué)學(xué)院，都勻 558000)

1 引言

H 是星系中最重要的一種元素，21cm HI 譜線的研究對于星系的結(jié)構(gòu)和演化，具有非常重要的作用[1]。H 元素廣泛存在于宇宙大尺度到毫角秒尺度的星系核區(qū)[2]。21cm HI 吸收線已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高紅移河外星系射電噪背景源周圍的HI 氣體環(huán)境的研究，根據(jù)吸收氣體的位置不同可以分為本征吸收和類Lyman-α 吸收[3]。與HI 發(fā)射線相比，河外星系HI 吸收線的探測依賴于星系中的射電連續(xù)譜與HI 氣體的分布，可以用來探測不同分辨率下的HI 氣體的性質(zhì)。一般只要射電連續(xù)譜在高分辨率觀測下有足夠的射電亮度，就可以在高分辨率下探測到HI 吸收線，包括毫角秒尺度的VLBI 觀測[2]。星系中的射電連續(xù)譜來源主要包括射電噴流、星暴活動或者兩者共存，目前在射電波段確定河外星系中央性質(zhì)的方法，主要是通過高分辨率VLBI 觀測得到核區(qū)結(jié)構(gòu)、亮溫度(AGN 亮溫度高、致密，而星暴星系則反之)。Condon 等人研究了整體UGC (Uppsala Galaxy Catalog)樣本中各星系的射電輻射和恒星形成活動，利用亮溫度TB和q值來區(qū)分這些射電源的射電輻射的能量主要來自AGN 還是星暴[4]。

Arecibo 的ALFALFA(Arecibo Legacy Fast ALFA)HI 21 cm 譜線巡天與之前的巡天(如HI Parkes ALL-Sky Survey)相比，在靈敏度和探測深度方面均具有很大的進步，這使得ALFALFA 巡天更適合尋找HI 吸收源[3]。Darling 等人[5]對7% 的ALFALFA 巡天數(shù)據(jù)進行HI 吸收線搜尋，僅探測到1 個已知的本征HI 吸收線星系UGC 6081。Wu 等人在40%的ALFALFA 巡天中(α.40 天區(qū))探測到10 個HI 吸收星系，都為本征吸收線[6]。其中5 個是其他望遠鏡之前觀測確認的星系，包括NGC 315[7],IC 860[8],NGC 5363[9],CGCG 049-057[10],UGC 6081[11]。本文利用檔案VLBI 數(shù)據(jù)和紅外數(shù)據(jù)對這5 個源進行了系統(tǒng)性的研究，主要目的是研究這類源的中央核心區(qū)的射電連續(xù)譜輻射性質(zhì)，分別從射電的亮溫度TB和紅外波段q值及WISE 類型等角度分析了這些源的物理屬性。本文第2 章簡要介紹了數(shù)據(jù)搜集和數(shù)據(jù)處理過程；第3 章對這5 個源的屬性進行分析討論；第4 章對本文內(nèi)容進行總結(jié)。本文使用的宇宙參數(shù)為：H0=70 km·s?1·Mpc?1,Ωm=0.3,ΩΛ=0.7。

2 數(shù)據(jù)搜集和數(shù)據(jù)處理

在本文中，我們搜集了這5 個源的VLBA,EVN 以及紅外波段數(shù)據(jù)。其中VLBA 數(shù)據(jù)來自Astrogeo VLBI 數(shù)據(jù)庫①http://astrogeo.org/vlbi-images/，EVN 的數(shù)據(jù)來自EVN 檔案數(shù)據(jù)庫②http://archive.jive.nl/scripts/avo/fitsfinder.php。VLBA 和EVN 數(shù)據(jù)均已進行過初步相位校正、幅度校正等處理。我們對數(shù)據(jù)進行編輯等處理，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到DIFMAP (difference mapping)軟件包，進行成圖和模型擬合[12]。通過這些處理后，獲取到這5 個源在pc 尺度下的射電連續(xù)譜圖像，得到各成分的流量、成分與核心的距離以及模型成分的角直徑等參數(shù)。數(shù)據(jù)擬合結(jié)果見表2，數(shù)據(jù)連續(xù)譜圖像見圖1，圖像參數(shù)見表2。為了進一步了解這5 個源的屬性，我們使用紅外手段對其進行分析和分類。其中紅外天文衛(wèi)星數(shù)據(jù)(infrared astronomical satellite,IRAS) 來自美國航天局河外數(shù)據(jù)庫(NASA/IPAC Extragalactic Database,NED)③https://ned.ipac.caltech.edu/，WISE 數(shù)據(jù)來自斯隆數(shù)字化巡天(Sloan Digital Sky Survey,SDSS)④http://skyserver.sdss.org/dr12/en/tools/chart/navi.aspx。樣本源的紅外屬性見表3。

表1 數(shù)據(jù)模型成分參數(shù)

表2 射電連續(xù)譜圖像參數(shù)

表3 樣本源的射電和紅外屬性

圖1 HI 吸收線星系NGC 315,IC 860,NGC 5363,CGCG 049-057,UGC 6081 在pc 尺度下的射電連續(xù)譜圖像

3 結(jié)果與討論

3.1 毫角秒尺度射電結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，我們給出了這5 個源的射電連續(xù)譜圖像。NGC 315 與NGC 5363 這2 個源存在明顯的射電噴流：NGC 315 在15.36 GHz 的VLBA 數(shù)據(jù)中顯示東南(SE)方向也有微弱的噴流，這與前人研究的高分辨率射電結(jié)構(gòu)一致[13]；NGC 5363 在8.6 GHz 的VLBA圖像中能明顯看到在東北和西南方向都有噴流，大尺度下(kpc)有一個彎曲的噴流[14]。IC 860 和CGCG 049-057 都屬于 亮紅外星系[8,15]，其中IC 860 還是一個具有星暴后期光譜的星系[16]。從射電結(jié)構(gòu)圖中可以看出這些源在毫角秒尺度下均存在致密的核，其中CGCG 049-057 只存在1 個成分，而IC 860 存在2 個成分，其中東北方向(N E)的成分流量變化劇烈，在5 GHz 波段，該成分的射電流量從2006 年的0.9 mJy 變?yōu)?019 年的7.1 mJy。這2 個源核區(qū)結(jié)構(gòu)致密，亮溫度高于107K，說明射電輻射很可能來自于活動星系核的射電噴流。另外我們發(fā)現(xiàn)這2 個源的毫角秒尺度的流量(見表2)不超過各自NVSS 總流量(見表2)的20%，說明這2 個源在VLBI 尺度上的射電連續(xù)譜流量大部分都分解了，這些分解的流量很可能來自星暴活動。UGC 6081 在pc 尺度下完全分解，沒有明顯的射電結(jié)構(gòu)，說明射電輻射可能主要來自于星暴活動。

3.2 噴流的亮溫度

通常認為AGN 射電噴流占主導(dǎo)的射電源具有明顯的射電結(jié)構(gòu)，或者在1.4 GHz 波段的亮溫度大于105K[4]。為了了解這些源的亮溫度情況，本文通過高斯擬合得到射電成分模型參數(shù)，并利用式(1)計算得到亮溫度TB[17](結(jié)果見表2)：

其中，Sν為成分的流量密度，以Jy 為單位，ν為相應(yīng)的觀測頻率，以GHz 為單位，θd為成分的角直徑，以mas 為單位，z為源的紅移。AGN 主導(dǎo)的射電源的亮溫度在頻率大于0.03 GHz 的情況下，亮溫度超過106K；在頻率超過1 GHz 時，亮溫度超過105K[18,19]。這些源的亮溫度都來自小尺度的核區(qū)，如果亮溫度低于106K，射電源的核區(qū)可能就不是AGN。我們發(fā)現(xiàn)其中4 個源在小尺度的亮溫度均大于106K，這表明這些星系的內(nèi)部很可能存在AGN 射電噴流成分。在1.66 GHz 的EVN 數(shù)據(jù)中，UGC 6081 的亮溫度為104.89K，這說明UGC 6081 可能是星暴星系。由表2 可知，這些源的亮溫度在104.89～1010.1K 之間，均小于能量均分亮溫度5×1010K[20]。因此，在我們的樣本中，噴流集束效應(yīng)并不顯著。

3.3 q 值

對于高分辨率下的連續(xù)譜圖像只存在致密核的星系，通?？梢岳肍IR 流量與射電流量密度之比(一般稱為q值)[21]來分析射電連續(xù)譜的起源。星暴星系的遠紅外流量遠大于射電流量，這是由年輕的大質(zhì)量恒星產(chǎn)生的塵埃加熱所造成。研究發(fā)現(xiàn)星暴核區(qū)的遠紅外和非熱射電亮度之間存在很強的相關(guān)性，所以遠紅外波段觀測是研究恒星形成率的一個合適的工具[22]。AGN成分的貢獻與q值的大小成反比，q值越小，則星系中的輻射更偏向AGN 為主導(dǎo)。q值的計算方法如下[22,23]：

其中，F(xiàn)IR=1.26×10?14(2.58S60μm+S100μm)。這里S60μm,S100μm分別為IRAS 在波長為60 μm 和100 μm 的流量密度(見表2)。本文中的5 個源，只有NGC 315,IC 860,NGC 5363 和CGCG 049-057 這4 個源存在IRAS 流量密度(見表2)。當大部分射電輻射能量由AGN 提供時，輻射受FIR 的影響較小，因此q值偏低，所以AGN 輻射占主導(dǎo)星系的q值小于2[19]。利用公式(2)我們計算得到其中4 個源的q值(見表2)，結(jié)果表明IC 860 的q值2.86 和CGCG 049-057 的q值2.74 均在2.2～3.0 之間，所以從這一角度來看可以知道這2個星系的NVSS 尺度射電輻射主要來自星暴成分；而NGC 315 與NGC 5363 這2 個源的q值都遠小于2.0，這表明這2 個源的射電輻射主要來自射電噴流。這與我們在3.1 節(jié)中利用射電結(jié)構(gòu)，VLBI 尺度和NVSS 尺度的射電流量的比值對這4 個源分析得到的結(jié)果一致。

3.4 5 個源的WISE 分類

通過WISE 紅外衛(wèi)星四個不同波段數(shù)據(jù)W1,W2,W3,W4，可把星系分成4 種不同的類型[24,25]：(1)W1 ?W2>0.5，周圍存在大量熱塵埃的活動星系核；(2)W1 ?W2<0.5且W2 ?W3<1.6，貧塵源，一般存在于低激發(fā)態(tài)射電星系；(3)W1 ?W2<0.5 且1.63.4，富含塵埃的星暴星系，一般見于恒星形成率高的星系和窄線射電星系。我們收集了這5 個源的4 種WISE 波段數(shù)據(jù)(見表2)。我們發(fā)現(xiàn)NGC 315 和NGC 5363 符合第3 種情況，被稱為12 μm 亮星系[24]。UGC 6081 滿足第1 個標準，屬于周圍存在大量熱塵埃的活動星系核。IC 860 和CGCG 049-057 滿足第4 個標準，屬于富含塵埃的星暴星系，與我們在射電角度上的分析一致。UGC 6081,IC 860 和CGCG 049-057 這3 個源分別符合第1 和第4 種情況，由于這些星系在4.6 μm 波段會有增亮現(xiàn)象，因此該類星系被稱為4.6 μm 亮星系[24]。這5 個源都沒有滿足第2 個標準即沒有貧塵源，說明貧塵源可能在α.40天區(qū)較少，或者這類源HI 吸收深度較低。

4 總結(jié)

本文通過使用EVN 和VLBA 多歷元、多波段的數(shù)據(jù)，研究了NGC 315,IC 860,NGC 5363,CGCG 049-057 和UGC 6081 這5 個α.40 天區(qū)發(fā)現(xiàn)的HI 吸收星系的射電結(jié)構(gòu)、亮溫度TB和q值等性質(zhì)，并基于WISE 數(shù)據(jù)進行分類。通過研究發(fā)現(xiàn)，從射電結(jié)構(gòu)和亮溫度上看，這5 個源的射電輻射來源可以分為3 種類型：(1)主要來自活動星系核的噴流。NGC 315 和NGC 5363 在pc 尺度都具有雙向噴流，且射電亮溫度較高，這說明射電連續(xù)譜輻射主要來自于噴流。(2)主要貢獻來自星暴活動，但可能有射電噴流的貢獻。IC 860 與CGCG 049-057 在pc 尺度有致密射電結(jié)構(gòu)且射電亮溫度大于106K，但是NVSS 大部分流量已經(jīng)分解說明這兩個源的射電連續(xù)譜主要來自星暴活動。(3)完全來自星暴活動。UGC 6081 在pc尺度的射電連續(xù)譜幾乎完全分解，不存在致密成分，說明這個星系核心區(qū)的射電輻射應(yīng)該沒有射電噴流的貢獻。通過計算4 個源的q值，確定了NGC 315 與NGC 5363 應(yīng)為AGN，而IC 860 與CGCG 049-057 應(yīng)為星暴星系，這與通過射電結(jié)構(gòu)和亮溫度得到的結(jié)果一致。利用紅外WISE 數(shù)據(jù)分類發(fā)現(xiàn)，5 個源中2 個為12 μm 亮星系，3 個為4.6 μm 亮星系，不存在貧塵星系，說明貧塵星系可能在40% ALFALFA 天區(qū)較少，或者HI 吸收深度較低。