活動(dòng)星系核黑洞核球質(zhì)量及宇宙學(xué)紅移關(guān)系研究*

羅 丹，張皓晶，張 雄，丁 楠

(云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，云南 昆明 650500)

活動(dòng)星系核黑洞核球質(zhì)量及宇宙學(xué)紅移關(guān)系研究*

羅 丹，張皓晶，張 雄，丁 楠

(云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，云南 昆明 650500)

通過(guò)文獻(xiàn)收集了90個(gè)活動(dòng)星系核樣本，研究黑洞質(zhì)量與核球質(zhì)量的關(guān)系，分析黑洞質(zhì)量及核球質(zhì)量比與宇宙學(xué)紅移的關(guān)系，進(jìn)而研究活動(dòng)星系核的演化關(guān)系，結(jié)果表明：(1)在Seyfert星系中黑洞質(zhì)量與核球質(zhì)量無(wú)明顯相關(guān)，類星體中則呈線性相關(guān)；(2)活動(dòng)星系核演化序列由類星體演化到Seyfert星系。

活動(dòng)星系核；黑洞質(zhì)量；核球質(zhì)量；紅移

活動(dòng)星系核的演化實(shí)質(zhì)上是天體在宇宙時(shí)標(biāo)上的演化，而宇宙時(shí)標(biāo)主要與宇宙學(xué)紅移有關(guān)[1-2]。不同的天體有不同的宇宙學(xué)紅移，因此可以利用宇宙學(xué)紅移研究天體的演化[3]。Seyfert 星系與類星體作為活動(dòng)星系核的兩個(gè)子類，兩者之間存在怎樣的演化關(guān)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(guān)系，現(xiàn)已有許多研究者從多方面對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證，如文[6]通過(guò)研究黑洞質(zhì)量與紅移的關(guān)系驗(yàn)證了從類星體到Seyfert 星系的演化。

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

1 數(shù)據(jù)及分析

本文從文獻(xiàn)中收集了45個(gè)Seyfert星系[7,9]和45個(gè)類星體[10-12]共90個(gè)樣本的黑洞質(zhì)量、核球質(zhì)量、紅移、熱光度。利用熱光度和黑洞質(zhì)量計(jì)算得出熱光度與愛(ài)丁頓光度比值。利用黑洞質(zhì)量與核球質(zhì)量算出其比值。90個(gè)樣本見(jiàn)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(duì)數(shù)值，以ergs-1為單位；(6)黑洞質(zhì)量對(duì)數(shù)值，質(zhì)量以M⊙為單位；(7)核球質(zhì)量的對(duì)數(shù)值，質(zhì)量以M⊙為單位；(8)黑洞質(zhì)量與核球質(zhì)量比的對(duì)數(shù)；(9)熱光度與愛(ài)丁頓光度比值；(10)參考文獻(xiàn)。

1.1 黑洞質(zhì)量計(jì)算方法

1.1.1Mbh-σ*關(guān)系方法

文[13-15]提出黑洞質(zhì)量和寄主星系之間大致存在比例關(guān)系，即使黑洞質(zhì)量有～0.5%的散射。文[16-17]發(fā)現(xiàn)黑洞質(zhì)量與σ*之間存在緊密的相關(guān)，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(zhì)量與σ*的關(guān)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(zhì)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(yīng)波長(zhǎng)處的光度與波長(zhǎng)的乘積；FWHM表示Hβ的半峰全寬值；M⊙表示太陽(yáng)質(zhì)量[20]。

1.1.3MBH-Lbulge關(guān)系方法

log(MBH/M⊙)=-0.50MR-2.60，

(4)

(5)

核球V波段的絕對(duì)星等與R波段絕對(duì)星等存在關(guān)系V-R=0.8。本文采用黑洞質(zhì)量皆由反響映射法計(jì)算得出。

1.2 核球質(zhì)量計(jì)算方法

由正常星系質(zhì)量-光度關(guān)系得到logMbulge[7]：

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

(6)

2 統(tǒng)計(jì)分析

2.1 黑洞質(zhì)量與核球質(zhì)量的關(guān)系

從圖1中可以看出Seyfert 黑洞質(zhì)量與核球質(zhì)量之間沒(méi)有明顯的相關(guān)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(guān)系數(shù)為R=0.27；隨機(jī)概率P=0.078。

從圖2中可以看出類星體黑洞質(zhì)量與核球質(zhì)量之間呈線性相關(guān)的關(guān)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(guān)系數(shù)為R=0.53；隨機(jī)概率P=0.0001。

圖1 Seyfert星系黑洞與核球質(zhì)量關(guān)系

圖2 類星體黑洞與核球質(zhì)量關(guān)系

圖3為45個(gè)Seyfert 和45個(gè)類星體的黑洞核球質(zhì)量比的分布直方圖。

2.2 黑洞核球質(zhì)量比與紅移的關(guān)系

圖4為黑洞核球質(zhì)量比與紅移z的關(guān)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(jìn)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(shí)，類星體過(guò)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(ài)丁頓光度之比與紅移z的關(guān)系圖，圖5為圖4的參考，且因?yàn)楸疚南嚓P(guān)文獻(xiàn)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(jìn)行，Lbol/LEdd值減小，當(dāng)紅移到達(dá)一定值時(shí)，Seyfert星系過(guò)渡到類星體。

圖3 黑洞核球質(zhì)量比的分布直方圖(實(shí)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(zhì)量與紅移關(guān)系

圖5 熱光度與愛(ài)丁頓光度比與紅移關(guān)系

3 結(jié)論和討論

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

本文通過(guò)研究黑洞與核球質(zhì)量比與紅移z的關(guān)系模擬活動(dòng)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(zhì)量與紅移以及吸積率、熱光度與紅移關(guān)系得出的演化關(guān)系基本一致。但樣本是依據(jù)現(xiàn)有能找到的活動(dòng)星系核的核球質(zhì)量及其紅移的大小選擇的，從現(xiàn)有的活動(dòng)星系核的核球質(zhì)量得到樣本這一點(diǎn)上來(lái)說(shuō)存在一定的選擇效應(yīng)，但是對(duì)于本文預(yù)設(shè)的科學(xué)目標(biāo)沒(méi)有很大的影響，且本文在紅移z在0.3～0.5范圍內(nèi)無(wú)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(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)活動(dòng)星系核的演化作進(jìn)一步的研究。在黑洞質(zhì)量與核球質(zhì)量關(guān)系中發(fā)現(xiàn)Seyfert星系黑洞質(zhì)量與核球質(zhì)量無(wú)明顯的相關(guān)，說(shuō)明黑洞對(duì)于外界物質(zhì)的吸收不具規(guī)律，而類星體呈線性相關(guān)。鑒于此，是否可以說(shuō)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(jié)果。此外，不同類型的活動(dòng)星系核具有不同的宇宙學(xué)紅移，從現(xiàn)有的觀測(cè)結(jié)果來(lái)看，類星體紅移較高，Seyfert星系紅移較低，但因?yàn)镾eyfert星系的光度較小，可能存在高紅移的Seyfert星系沒(méi)有被觀測(cè)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(dāng)漩渦星系越旋越緊，最后將變成橢圓星系[12]。從以上兩點(diǎn)來(lái)看活動(dòng)星系核的演化序列也可能是Seyfert星系到類星體，具體應(yīng)該是怎樣的結(jié)果將在以后的工作中收集更多的證據(jù)加以證明。

[1] Best P N, Ker L M, Simpson C, et al. The comic evolution of radio-AGN feedback to z=1[J]. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2014, 445(1): 955-969.

[2] 熊定榮, 張雄, 鄭永剛, 等. 射電類星體的演化與宇宙學(xué)紅移[J]. 天文研究與技術(shù)——國(guó)家天文臺(tái)刊, 2013, 10(2): 110-120. Xiong Dingrong, Zhang Xiong, Zheng Yonggang, et al. The evolution of radio quasars with cosmological redshift[J]. Astronomical Research & Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China, 2013, 10(2): 110-120.

[3] 董霞, 張皓輝, 熊定榮, 等. 活動(dòng)星系核中黑洞質(zhì)量與宇宙學(xué)紅移的研究[J]. 云南師范大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2013, 33(1): 9-12. Dong Xia, Zhang Haohui, Xiong Dingrong, et al. The research about black hole mass and cosmological redshift in active galactic nuclei[J]. Journal of Yunnan Normal University: Natural Sciences Edition, 2013, 33(1): 9-12.

[4] Punsly B. Spectral diagnostics of blazar central engines. II. hydromagnetic theory[J]. The Astrophysical Journal, 1996, 473(1): 178-203.

[5] Park S J, Vishniac E T. The evolution of the central black hole in an active galactic nucleus, I-Evolution with a constant mass influx[J]. The Astrophysical Journal, 1988, 332 (1): 135-140.

[6] 尤莉莎, 張雄. 活動(dòng)星系核的演化與宇宙學(xué)紅移[J]. 天文研究與技術(shù)——國(guó)家天文臺(tái)刊, 2007, 4(2): 108-l12. You Lisha, Zhang Xiong. Active galactic nuclei and the redshift[J]. Astronomical Research & Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China, 2007, 4(2): 108-112.

[7] 巢梨花, 卞維豪, 黃克諒. 低紅移活動(dòng)星系核中大質(zhì)量黑洞與核球質(zhì)量關(guān)系研究[J]. 南京師大學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2006, 29(3): 29-35. Chao Lihua, Bian Weihao, Huang Keliang. Mass relation between the black hole and the Bulge for low redshift AGNs[J]. The Journal of Nanjing Normal University: Natural Sciences Edition, 2006, 29(3): 29-35.

[8] Bao Yuying, Zhang Xiong, Chen Luoen, et al. Studies of the black hole mass and the Eddington rate of AGNs[J]. Acta Astronomica Sinica, 2008, 49(2): 123-132.

[9] Hao C N, Xia X Y, Mao S D, et al. The physical connections among IR QSOs, PG QSOs and narrow-line seyfert 1 galaxies[J]. The Astrophysical Journal, 2005, 625: 78-88.

[10]Sanghvi J, Kotilainen J K, Falomo R, et al. The black hole-host galaxy relation for very low mass quasars[J]. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2014, 445(2): 1261-1268.

[11]Kim M, Ho L C, Peng C Y, et al. The origin of the intrinsic scatter in the relation between black hole mass and bulge luminosity for nearby active galaxies[J]. The Astrophysical Journal, 2008, 687(2): 767-827.

[12]Wandel A. Black holes of active and quiescent galaxies: I. the black hole-bulge relation revisited[J]. The Astrophysical Journal, 2002, 565: 762-772.

[13]Shields G A, Menezes K L, Massart C A, et al. The black hole-bulge relationship for QSOs at high redshift[J]. The Astrophysical Journal, 2006, 641: 683-688.

[14]Gregory A S, Karl G, Salviander S, et al. The black hole-bulge relationship in quasars[J]. The Astrophysical Journal, 2004, 583: 124-133.

[15]Magorrian J, Tremaine S, Richstone D, et al. The demography of massive dark objects in galaxy centers[J]. The Astronomical Journal, 115(6): 2285-2305.

[16]Gebhardt K, Bender R, Bower G, et al. A relationship between nuclear black hole mass and galaxy velocity dispersion[J]. The Astrophysical Journal, 2000, 539(1): L13-L16.

[17]Ferrarese L, Merritt D. A fundamental relation between supermassive black holes and their host galaxies[J]. The Astrophysical Journal, 2000, 539(1): L9-L12.

[18]Tremaine S, Gebhardt K, Bender R, et al. The slope of the black hole mass versus velocity dispersion correlation[J]. The Astrophysical Journal, 2002, 574(2): 740-753.

[19]McLure R J, Jarvis M J. Measuring the black hole masses of high redshift quasars[J]. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2002, 337(1): 109-116.

[20]Labita M, Treves A, Falomo R, et al. The BH mass of nearby QSOs: a comparison of the bulge luminosity and viral methods[J]. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2006, 373(2): 551-560.

[21]劉學(xué)富. 基礎(chǔ)天文學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2004.

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(guó)家自然科學(xué)基金 (11163007)；國(guó)家自然科學(xué)基金 (U1231203)； 云南省自然科學(xué)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