水脈澤寄主星系的Spitzer中紅外特性研究

王 金， 林如秋， 呂不悔， 汪友鑫， 丘佳鷺， 呂澤胤， 張江水， 毛業(yè)偉

(廣州大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院， 廣東 廣州 510006)

0 引 言

天體脈澤輻射是微波波段的受激輻射.頻率為22 GHz(JKaKc=616-523，λ～1.3 cm)的水脈澤輻射于1977年首次在鄰近星系M33中被探測(cè)到以來(lái)[1]，對(duì)河外星系的水脈澤觀測(cè)研究已有40多年.到目前為止，在搜尋探測(cè)過(guò)的5 000多個(gè)星系中，只在180多個(gè)星系中探測(cè)到了水脈澤輻射[2-7].水脈澤按其輻射的強(qiáng)度可分為千脈澤(脈澤各向同性光度小于10L⊙)和超脈澤(脈澤各向同性光度大于10L⊙)，前者通常與恒星形成區(qū)成協(xié)，后者的激發(fā)能源被認(rèn)為來(lái)自于活動(dòng)星系核(AGN)，且絕大多數(shù)為后者(>80%).其中約40%的水超脈澤輻射呈現(xiàn)出三種分量(藍(lán)移分量、系統(tǒng)速度分量和紅移分量)，這類(lèi)脈澤輻射斑位于星系核區(qū)的吸積盤(pán)上，故稱(chēng)其為盤(pán)脈澤[8-9]；對(duì)盤(pán)脈澤的觀測(cè)研究在計(jì)算黑洞質(zhì)量、限制宇宙學(xué)模型和提高哈勃常數(shù)H0的精確度等方面是一個(gè)非常有效的工具[10-14].

絕大多數(shù)水超脈澤寄主于賽弗特二型(Sy2)和低電離發(fā)射線星系(LINER)[8,15]，這些星系的核區(qū)通常是被嚴(yán)重遮掩的(視線方向吸收柱密度NH>1023cm-2)[2,4,15]，研究顯示水超脈澤寄主星系核區(qū)的吸收柱密度明顯比非水脈澤寄主星系的要高[2,4,9,15-16]，且X射線和[O III]線光度都與脈澤光度存在正相關(guān)[8,17-18].射電波段的統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析認(rèn)為水超脈澤輻射依賴(lài)核的射電輻射能量，而且水超脈澤的射電光度強(qiáng)于非水脈澤[15,19]，這一點(diǎn)已被Liu等證實(shí)[20].

AGN作為水超脈澤輻射的激發(fā)能源，能示蹤其固有強(qiáng)度的紅外輻射有可能在脈澤產(chǎn)生過(guò)程中扮演著重要的角色.基于紅外望遠(yuǎn)鏡IRAS(Infrared Astronomical Satellite)的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)當(dāng)時(shí)較小樣本的分析結(jié)果顯示，遠(yuǎn)紅外光度與脈澤光度間存在正相關(guān)[9,21].Kuo等[22]通過(guò)處理分析WISE(Wide-field Infrared Survey Explorer)紅外望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，水超脈澤寄主星系的中紅外輻射強(qiáng)于非水脈澤的，且在長(zhǎng)波22 μm波段表現(xiàn)得更為明顯，但寄主星系的中紅外輻射與水脈澤輻射卻沒(méi)有明顯的相關(guān)性.

紅外望遠(yuǎn)鏡Spitzer上安裝的紅外陣列相機(jī)(IRAC)和多波段成像光度計(jì)(MIPS)可以觀測(cè)得到天體的紅外輻射流量，其中，IRAC的觀測(cè)波段為3.6 μm、4.5 μm、5.8 μm和8.0 μm，MIPS的觀測(cè)波段為24 μm、70 μm和160 μm.本文利用IRAC和MIPS的觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)水超脈澤寄主星系和非水脈澤寄主星系的中紅外特性進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析.

1 樣本和數(shù)據(jù)

基于Megamaser Cosmology Project(1)https://safe.nrao.edu/wiki/bin/view/Main/PublicWaterMaserList(MCP)數(shù)據(jù)庫(kù)，筆者得到144個(gè)水超脈澤寄主星系，同時(shí)得到5 000多個(gè)未探測(cè)到水脈澤輻射的星系，考慮到水超脈澤星系的紅移小于0.07，故非水脈澤的對(duì)比樣本只選取了紅移小于0.07的星系.筆者將這2個(gè)樣本中的星系與Spitzer望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)庫(kù)的SEIP Source List(2)http://sha.ipac.caltech.edu/applications/Spitzer/SHA/中的星系進(jìn)行了交叉認(rèn)證(默認(rèn)搜尋半徑10″)，得到了45個(gè)水超脈澤寄主星系和749個(gè)非水脈澤寄主星系在3.6 μm、4.5 μm、5.8 μm、8.0 μm和24.0 μm波段的3角秒孔徑的測(cè)光流量數(shù)據(jù)；99%以上的有效測(cè)光流量數(shù)據(jù)的信噪比≥10，84%的星系交叉認(rèn)證位置差異≤2″.

2 分析和討論

2.1 中紅外光度分布

利用流量與光度的關(guān)系式[23-25]：

(1)

通過(guò)計(jì)算得到水超脈澤寄主星系和非水脈澤的Spitzer望遠(yuǎn)鏡中紅外觀測(cè)波段的光度值.利用得到的中紅外光度，對(duì)水超脈澤寄主星系和非水脈澤的中紅外光度進(jìn)行了柱狀分布對(duì)比分析(見(jiàn)圖1，空白柱為水超脈澤，填充斜線的柱為非水脈澤).

圖1 水超脈澤和非水脈澤的Spitzer的紅外光度分布

圖1可見(jiàn)，水超脈澤與非水脈澤樣本在短波3.6 μm的分布沒(méi)有明顯不同；但在4.5 μm、5.8 μm、8.0 μm和24.0 μm波段，中紅外光度分布有明顯不同，且波長(zhǎng)越大，不同越明顯，K-S檢驗(yàn)的結(jié)果可以證實(shí)這一結(jié)論(見(jiàn)表1，3.6 μm的檢驗(yàn)值0.334 3大于0.05，其余4個(gè)波段的檢驗(yàn)值隨波長(zhǎng)的增加而減小，且都小于0.05).同時(shí)，筆者計(jì)算了這2個(gè)樣本中紅外光度平均值，對(duì)比發(fā)現(xiàn)水超脈澤寄主星系的中紅外光度明顯大于非水脈澤，且在長(zhǎng)波24.0 μm差別更為明顯，t-Test可以證實(shí)(表1，24.0 μm的檢驗(yàn)值1.47E-4明顯小于0.05)，該結(jié)果與紅外衛(wèi)星WISE的觀測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果相一致[22]，這意味著水超脈澤寄主星系核區(qū)的塵埃要比非水脈澤的熱.

表1 水超脈澤和非水脈澤的中紅外光度平均值(logνLυ，光度用L⊙表示)

注：1、2、3、4、5分別表示3.6 μm、4.5 μm、5.8 μm、8.0 μm、24.0 μm波段.

2.2 中紅外譜指數(shù)

當(dāng)用冪律譜(Power-law)模型(F∝υ-α)描述中紅外輻射時(shí)[26]，可得到譜指數(shù)與波長(zhǎng)、流量的關(guān)系式：

α21=log(Fλ2/Fλ1)/log(λ2/λ1)

(2)

利用該關(guān)系式得到5個(gè)波段之間的譜指數(shù).譜指數(shù)的平均值顯示，水超脈澤寄主星系的譜指數(shù)大于非水脈澤的，2個(gè)樣本在α21和α43相差較大，但是t-Test結(jié)果顯示2個(gè)樣本的譜指數(shù)間不存在差異，見(jiàn)表2，這或許是由于水超脈澤寄主星系在各個(gè)觀測(cè)波段的有效數(shù)據(jù)太少造成的，也或許是真實(shí)情況的反映，這需要在有足夠觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)做進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)分析.

另外，筆者利用2個(gè)樣本的平均觀測(cè)流量密度繪制了3.6μm～24.0 μm的能譜分布圖(圖2，其中黑色的圓點(diǎn)為水超脈澤，空心圓圈為非水脈澤)，能譜分布圖中水超脈澤寄主星系和非水脈澤的中紅外輻射譜形態(tài)基本一致，二者之間沒(méi)有明顯的區(qū)別，進(jìn)而證實(shí)了2個(gè)樣本的譜指數(shù)間不存在差異；從圖2可見(jiàn)水超脈澤寄主星系的中紅外輻射強(qiáng)度明顯大于非水脈澤的.

圖2 水超脈澤和非水脈澤的中紅外能譜分布

Fig.2 The middle infrared spectral energy distributions of H2O mega-maser and non-H2O maser

填充黑色的圓和空心圓分別表示水超脈澤樣本和非水脈澤樣本

表2 水超脈澤和非水脈澤的譜指數(shù)平均值

注：1、2、3、4、5分別表示3.6 μm、4.5 μm、5.8 μm、8.0 μm、24.0 μm波段.

2.3 脈澤光度和中紅外光度的關(guān)系

AGN被認(rèn)為是激發(fā)水超脈澤輻射的能量源，而紅外輻射強(qiáng)度可示蹤AGN輻射的固有強(qiáng)度，因此，水超脈澤輻射與紅外輻射有可能會(huì)存在一定的相關(guān)性.之前的研究工作顯示，脈澤光度與遠(yuǎn)紅外光度存在一定的相關(guān)性[9,21].

本文利用Spitzer望遠(yuǎn)鏡5個(gè)波段的觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究了這5個(gè)波段的中紅外光度與脈澤光度的關(guān)系(圖3).圖3顯示脈澤光度與紅外光度間的彌散度較大，雖然有效數(shù)據(jù)少，但這一結(jié)果與利用WISE觀測(cè)數(shù)據(jù)得到的中紅外光度與脈澤光度的關(guān)系一致[22]，都顯示二者之間沒(méi)有明顯的相關(guān)性.

圖3 脈澤光度和Spitzer紅外光度的關(guān)系

盡管現(xiàn)在認(rèn)為，來(lái)自寄主星系中心AGN輻射的射電和X射線種子光子通過(guò)碰撞抽運(yùn)產(chǎn)生水脈澤輻射[27].來(lái)自AGN的X射線輻射對(duì)核區(qū)的塵埃環(huán)加熱，可以期待X射線輻射強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致更強(qiáng)的紅外輻射以及激發(fā)產(chǎn)生的脈澤輻射.本文的光度統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示水脈澤星系比非水脈澤星系有更大的中紅外光度，這一結(jié)果與上述預(yù)測(cè)相符合.然而，水脈澤光度與其寄主星系的中紅外光度卻并未表現(xiàn)出明顯的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性，這說(shuō)明脈澤的產(chǎn)生機(jī)制復(fù)雜，除了與AGN輻射相關(guān)以外，可能還受到其他多種因素的影響，例如，脈澤放大路徑的長(zhǎng)度、前景脈澤云的形態(tài)結(jié)構(gòu)以及其與來(lái)自AGN的背景射電輻射的準(zhǔn)直效應(yīng)[28]，脈澤環(huán)境中氣體與塵埃的溫差[29]，脈澤云中能級(jí)反轉(zhuǎn)粒子的飽和度等.

3 結(jié) 論

本文基于紅外望遠(yuǎn)鏡Spitzer的測(cè)光觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)水脈澤寄主星系和非水脈澤寄主星系的中紅外性質(zhì)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析，得到結(jié)論如下：

(1)中紅外光度的統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析顯示，水脈澤寄主星系的中紅外光度明顯大于非水脈澤寄主星系，且在長(zhǎng)波24.0 μm波段的差異最為明顯.

(2)譜指數(shù)與能譜分布的對(duì)比分析顯示，2個(gè)樣本譜指數(shù)平均值和中紅外輻射譜形態(tài)沒(méi)有明顯區(qū)別.

(3)水脈澤光度與其寄主星系的中紅外光度的相關(guān)性分析顯示，二者之間沒(méi)有明顯的相關(guān)性.

筆者利用先進(jìn)紅外望遠(yuǎn)鏡Spitzer觀測(cè)數(shù)據(jù)得到，水脈澤寄主星系的中紅外光度明顯大于非水脈澤寄主星系，這一結(jié)果可以為將來(lái)水脈澤搜尋工作中樣本源的選擇提供可能的指導(dǎo).