星系中心超大质量黑洞

星系中心超大质量黑洞－探测方法及统计性质陆由俊([e-mail])中国科学院国家天文台2012年11月1日@中国科学技术大学11/1/12大质量黑洞1摘要· · · · · · 黑洞的概念及理论基础天文背景下的黑洞类星体与大质量黑洞正常近邻星系中的黑洞质量测量活动星系核中黑洞质量的测量黑洞质量与寄主星系性质之间关系的物理背景· 黑洞研究展望11/1/12大质量黑洞2黑洞概念：逃逸速度· 摆脱一引力场的引速度Vesc力束缚所需的最低初始速率速度Vesc12mVesc2GMmR0Vesc2GMR质量:M半径:R地球:Vesc=11km/s太阳:Vesc=600km/s11/1/12大质量黑洞3“DarkStar”简单经典的考虑Rev.JohnMichell(1783)&Pierre-SimonLaplace(1796)· 光速＝3x105km/s· 如果一个星体的尺度如此小乃至其逃逸速度大于光速，将如何?看不见星体！Vesc=光速地球质量天体：R＝0.9cm太阳质量天体：R＝3km11/1/12大质量黑洞4爱因斯坦场方程真空解· · · · · · 1915:广义相对论爱因斯坦的引力理论1916:Schwarzschild黑洞度规,M1963:Kerr发现新解－Kerr黑洞,M,a1967:JohnWheeler术语命名Reissner-­­Nordstrom度规，M,QKerr-­­Newman度规,M,a,Q11/1/12AlbertEinstein大质量黑洞KarlSchwarzschild5最简单的天体黑洞“无毛”定理：黑洞性质由以下三个物理量唯一确定：质量,自旋,电荷。黑洞温度：Schwarzschild黑洞：Thc38kGM11/1/12大质量黑洞6ds(12M/r)dtSchwarzschildandKerr黑洞Schwarzschildmetric(史瓦西度规):22dr212M/rr2(d2sin2d2)视界rSchKerrmetric（克尔度规）:2GMc2奇点视界自旋广义相对论中的黑洞不同于经典牛顿力学下的“DarkStar”：· 光速：速度上限· 视界：任何进入视界的物体无法逃出，至奇点。11/1/12大质量黑洞7天文背景下的黑洞质量分类：– 恒星质量的黑洞(~10太阳质量):大质量恒星演化的最终产物– 中等质量的黑洞(~103－4太阳质量)?– 大质量黑洞(~105－9太阳质量)– Micro-­­黑洞，宇宙原初黑洞11/1/12大质量黑洞8From星体：压力平衡引力11/1/12大质量黑洞9黑洞：恒星演化产物· 白矮星– 钱德拉塞卡质量极限：1.44太阳质量· 中子星· 黑洞金属丰度恒星质量SubramanyanChandrasekhar与γ爆相携?11/1/12大质量黑洞10黑洞：恒星演化产物· 通过伴星运动测X射线星质量M=rv2/GM3倍太阳质量黑洞!· 银河系中大约十几个黑洞通过这种方式被发现(poftheiceberg)11/1/12大质量黑洞11黑洞候选者伴星的速度和轨道黑洞的质量11/1/12大质量黑洞12类星体与大质量黑洞· 谈到大质量黑洞就不得不谈类星体、其发现历史及其能源机制！11/1/12大质量黑洞13类星体的发现历史1963年MaartenSchmidt等证认出它们实际上是红移了的氢、氧和其他元素的发射线Greenstein&Mathews1963,Nature同一期,for3C48,z=0.3711/1/12大质量黑洞14类星体的发现历史· 射电点源（类似于恒星的光学对应体）被叫做“Quasi-­­StellarRadioSources”;华裔天文学家邱宏义（H.-­­Y.Chiu）将其缩写为“Quasars”（1964），1970年被ApJ接受；· Sandage(1965)等证认了很多紫外过剩类似于Quasars的光学天体，但它们的射电较弱。Sandage把此类天体叫做“bluestellarobjects”(BSOs)；稍后该类天体被叫做“quasi-­­stellarobjects”（QSOs）。在文献中有时并不严格区分这两类天体11/1/12大质量黑洞15类星体巡天XMMX-raysurvey2dF大样本类星体的观测和统计是理解类星体的本质必经之路。SDSS· · 单个类星体代表着核活动性长期演化的一个特别时刻。一个大类星体样本应该包含了处于演化过程中各个不同时刻的个体，因而可以帮助提取类星体的形成和演化信息。r8107MsunL1046erg/s能量产生机制基本问题:能量是如何产生的?· ～1042-­­1048erg/s(109-­­1015太阳光度)场星系的典型光度:～1044erg/s· 小尺度(短周期光变):～cδt(太阳系尺度)大质量黑洞的吸积· 质量:FgravFrad11/1/12GMmp2MeL4cr2eL4Gcmp大质量黑洞Eddingtonlimit17活动星系核中的大质量黑洞· 质能转换效率:LMc2,M0.2L46Msun/yr0.007,nuclearreactionUGMmrLdUdtGMdmrdtGMMr,GMcrGMc2)– Schwarzschild黑洞和Kerr黑洞:0.057,0.31(a=0.998)· 喷流:～光速,极深势阱的标志11/1/12大质量黑洞18质量能量转换效率Bardeen1970:Efficiency:0.42fora=111/1/12大质量黑洞19吸积盘理论吸积盘粘滞带走角动量热－黑体辐射11/1/12大质量黑洞20吸积盘理论吸积盘粘滞带走角动量热－黑体辐射Pringle1981,ARAA11/1/12大质量黑洞21临近星系中心黑洞存在的预期· 类星体:遥远星系中心的大质量黑洞吸积过程(Schmidt1963;Salpeter1964;Zel’dolvich&Novikov1964;Lynden-­­Bell1969;Rees1984).· 遥远星系代表了临近星系的历史(宇宙学原理)−临近星系中的类星体遗迹?(Lynden-­­Bell1969;Soltan1982;Yu&Tremaine2002)· 近邻星系中应该存在大质量黑洞(Kormendy&Richstone1995;Magorrianetal.1998;Gebhardtetal.2002;Pinkneyetal.2003;Ferrarese&Ford2005)11/1/12大质量黑洞22预言：类星体−临近星系中心黑洞· 类星体阶段吸积导致的黑洞质量密度增长:– u=1.3×10-­­15erg/cm3,– ρ·,acc=u/(εc2)=2.1×105(0.1/ε)M/Mpc3· 场星系的空间数密度:– n=6×10-­­3h3Mpc-­­3· 星系中黑洞（类星体遗迹）的平均质量:– ρ·,acc/n=107M/galaxy11/1/12大质量黑洞23近邻星系中心存在大质量黑洞· 星系中心大质量黑洞的存在会影响周围物质的运动· 星系中心气体动力学，恒星动力学，运动学等都可以用来测定黑洞的质量– 中心天体质量M·~rv2/G· 运动速度随r减小而增高· 开普勒运动11/1/12大质量黑洞24M·rv/G大质量黑洞证据：银河中心TheMilkyWayGalacticcenter(ReinhardtGenzel；AndreaGhez)11/1/122大质量黑洞M·4106M25银河中心恒星运动轨道利用恒星轨道的精确测量来测定广义相对论效应和中心黑洞的度规Meyeretal.201211/1/12大质量黑洞26太阳系11/1/12大质量黑洞27银河系中心黑洞：邵逸夫奖ReinhardGenzelinrecogniuonofhisoutstandingcontribuuonsindemonstraungthattheMilkyWaycontainsasupermassiveblackholeatitscentre11/1/12大质量黑洞28银河系中心黑洞：Crafoord奖AndreaGhezReinhardGenzel“fortheirobserva/onsofthestarsorbi/ngthegalac/ccentre,indica/ng11/1/12thepresenceofasupermassiveblackhole.大质量黑洞29大质量黑洞存在证据：NGC4258NGC4258M·(3.90.1)107M11/1/12大质量黑洞30大质量黑洞存在证据：脉泽线Greeneetal.201011/1/12大质量黑洞31大质量黑洞存在证据：近邻正常星系中心· 恒星动力学（准开普勒势场中的开普勒旋转）无碰撞玻尔兹曼方程的速度一阶矩给出质量估计Magorrianetal.199811/1/12大质量黑洞32M(3.20.9)10M大质量黑洞存在证据：气体动力学· 气体动力学（准开普勒势场中的开普勒旋转）利用长缝光谱观测([OIII],[OI],[SII],[NII],Hα)9M87:电离气体盘Fordetal.1994Macchevoetal.199711/1/12大质量黑洞33星系中心黑洞质量与星系性质间的相关Gebhardtetal.2000Ferrarese&Merriv200011/1/12大质量黑洞34星系中心黑洞质量与星系性质间的相关Tremaineetal.2002Ferrarese&Ford200511/1/12大质量黑洞3511/1/12大质量黑洞36M87(SDSScolorscheme)11/1/12大质量黑洞E137M31spiralgalaxy11/1/12大质量黑洞38M100SbcSAB(s)bcgranddesign11/1/12大质量黑洞39星系中心黑洞质量与星系性质间的相关十年后的关系:Gultekinetal.2009不同星系类型之间的差异？Grahametal.201111/1/12大质量黑洞40星系及其中心大质量黑洞共同演化11/1/12大质量黑洞41近邻宇宙中的大质量黑洞分布黑洞质量与星系性质之间的关系+星系特征量（如速度弥散或星系光度等）分布函数+黑洞与星系特征量之间关系的内秉弥散近邻宇宙中的黑洞质量分布函数11/1/12大质量黑洞42近邻宇宙中的黑洞质量分布函数11/1/12大质量黑洞Yu&Lu(2008)43活动星系核中的大质量黑洞3C273光学紫外连续谱Krissetal.1999,ApJ11/1/12大质量黑洞44活动星系核中的黑洞质量测量:Reverberauonmapping发射线相对于连续谱的时间延迟发射线轮廓的变化：转移函数：11/1/12大质量黑洞45活动星系核中的黑洞质量测量:reverberauonmapping对任意给定的宽线区几何可以由发射线轮廓对连续谱变化的响应来得到平均的时间延迟或时间延迟峰值不确定性：· 宽线区的几何，球对称、盘形状· 宽线区运动是否引力主导Horneetal.200411/1/12大质量黑洞46活动星系核中的黑洞质量测量:reverberauonmappingPeterson&Wandel1999Kaspietal.2005若宽线区运动为引力主导，则可由宽线区的尺度和宽线的宽度即宽线发射云团的速度确定黑洞的质量；更进一步可以由光度预言宽线区尺度再估计黑洞质量。11/1/12大质量黑洞47Gebhardtetal.2001Onkenetal.2004Ferrarese&Merriv200111/1/12大质量黑洞48M·fRBLRvFWHM活动星系核中的黑洞质量测量:reverber