引力透鏡類星體SDSS J1004+4112的吸收線研究

黃紅艷，謝照華，彭瑞，杜雷鳴，譚燦，劉小鵬，顧敏峰

(1.云南師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，云南 昆明650500；2.上海天文臺，上海200030)

1 引言

引力透鏡類星體是指有引力透鏡成像的類星體，從類星體到觀測者的視線方向上，光線經(jīng)過一個大質(zhì)量的前景天體(透鏡天體)時被引力偏折，使得觀測者看到兩個或多個目標(biāo)源的虛像[1]。根據(jù)背景光源成像扭曲程度的大小，引力透鏡可分為弱引力透鏡效應(yīng)和強引力透鏡效應(yīng)[2]，而類星體被前景引力透鏡扭曲后，可形成“多圖像類星體”(Multiply-imaged quasars)，或者“愛因斯坦環(huán)”(Einstein rings)[3]。

類星體的光線穿過傳播途中的星際物質(zhì)或星系際物質(zhì)而到達(dá)觀測者，部分波長的能量被其原子吸收，從而在光譜上留下凹槽形狀的吸收譜線。根據(jù)吸收線與類星體的關(guān)系，吸收線可分為兩類：一類是本征吸收線，由氣體直接形成，該氣體與類星體或類星體的寄主星系有關(guān)；另一類是中介吸收線，由在類星體與觀測者之間的星系或星系介質(zhì)產(chǎn)生。本征吸收線根據(jù)吸收線的半高全寬(full width at half maximum,FWHM)可分為三種類型，F(xiàn)WHM≥2 000 km/s的稱為寬吸收線(broad absorption lines,BALs)[4,5]，500＜FWHM＜2 000 km/s的稱為微型寬吸收線(mini-broad absorption lines,mini-BALs)[6,7]，F(xiàn)WHM≤500 km/s的稱為窄吸收線(narrow absorption lines,NALs)[8,9]。

利用引力透鏡類星體多個像光譜上的吸收線，可研究吸收物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、大小[10–13]和動力學(xué)等[14,15]。Koyamada等人[13]利用具有兩個像的13個引力透鏡類星體光譜中證認(rèn)得到63條高電離吸收線和99條低電離吸收線，用于研究環(huán)星系介質(zhì)(circum-galactic medium,CGM)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。他們求出同一條吸收線只存在于一個透鏡像中的比例，低電離吸收線的比例(約16%)大于高電離吸收線的比例(約2%)；并估算了吸收體在兩個視線上的橫向尺度Dtra的范圍，為0.1～10 kpc。他們根據(jù)高/低電離吸收線在兩個視線方向上的差異隨Dtra的變化，建立了用于研究CGM內(nèi)部結(jié)構(gòu)的橢圓函數(shù)模型，給出了CGM尺度的下限為500 kpc。Misawa等人[14]對觀測引力透鏡類星體SDSS J1029+2623兩個像(角距離22.5′′)的光譜進(jìn)行三次分析，發(fā)現(xiàn)在兩個視線上沒有相同紅移的窄吸收線系統(tǒng)，這意味著窄吸收線對應(yīng)的吸收體橫向尺度小于兩個視線上的橫向尺度Dtra。2018年，他們[15]對引力透鏡類星體SDSS J1001+5027的兩個成像(角距離2.86′′)[16,17]進(jìn)行兩個時期的觀測，發(fā)現(xiàn)窄吸收線系統(tǒng)中紅移為0.871 6的Mg II吸收系統(tǒng)表現(xiàn)出較為明顯的變化，Dtra≈7 kpc，他們認(rèn)為這可能由中介吸收體的運動所造成。此外，他們還利用引力透鏡類星體SDSS J1001+5027光譜中的C IV寬吸收線研究外流氣體，發(fā)現(xiàn)兩個視線方向上的外流氣體云相隔約330 pc，兩個時期的光譜上C IV寬吸收線有明顯的變化，他們認(rèn)為這可能是由氣體運動造成的，氣體圍繞類星體的動力學(xué)速度不小于18 000 km/s。由此可知，引力透鏡類星體不同像光譜上的吸收線差異，有利于研究吸收體的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和大小。

本文利用C IVλλ1548,1551和Mg IIλλ2796,2803吸收雙線系統(tǒng)擬合引力透鏡類星體SDSS J1004+4112光譜的窄吸收線系統(tǒng)，比較、分析吸收線在兩個不同的成像光譜中吸收線的紅移及等值寬度的差異。本文第2章介紹引力透鏡類星體SDSS J1004+4112的基本信息，第3章介紹證認(rèn)引力透鏡類星體SDSS J1004+4112光譜的方法和光譜分析討論的結(jié)果，第4章進(jìn)行簡單的總結(jié)。本文使用的宇宙學(xué)常數(shù)分別是Ωm=0.3,Ωk=0,ΩΛ=0.7和Ho=70 km·s-1·Mpc-1。

2 引力透鏡類星體SDSS J1004+4112

最先發(fā)現(xiàn)引力透鏡類星體SDSS J1004+4112是在2003年，Inada等人[18,19]從SDSS(Sloan Digital Sky Survey)DR5(The Data Release 5,第五期數(shù)據(jù))中得到初步的候選源SDSS J1004+4112，并申請凱克望遠(yuǎn)鏡(the Keck I telescope)[20]和斯巴魯望遠(yuǎn)鏡(the Subaru telescope of the National Astronomical Observatory)[21]，進(jìn)行更深入觀測，以確定數(shù)據(jù)的可靠性。他們發(fā)現(xiàn)強引力透鏡類星體SDSS J1004+4112具有4個成像，較大的2個像的分離角為14.62′′，較小的2個像的分離角為3.73′′，起透鏡作用的是一個星系群，其中以zl=0.679 9±0.000 1為中心，附近有2個較暗的星系，紅移為zl=0.675 1±0.000 1。2005年，Inada等人[22]申請哈勃空間望遠(yuǎn)鏡(the Hubble Space Telescope)觀測，發(fā)現(xiàn)引力透鏡類星體SDSS J1004+4112其實具有5個成像，第5個像與透鏡天體之間的角距離只有0.2′′，先前的望遠(yuǎn)鏡分辨率較低，并且被透鏡星系掩蓋，所以第5個像未能識別出來。

引力透鏡類星體SDSS J1004+4112被收錄于SQLS(SDSS Quasar Lens Search)[23,24]。SQLS是一個基于SDSS數(shù)據(jù)調(diào)查引力透鏡類星體的項目。SQLS基于SDSS的類星體星表得到引力透鏡類星體的候選源，再由夏威夷大學(xué)2.2 m望遠(yuǎn)鏡(the University of Hawaii 2.2 m Telescope，簡稱UH88)對類星體的前景星系進(jìn)行檢測[25,26]，并確定出引力透鏡類星體候選者?，F(xiàn)已發(fā)布了62個引力透鏡類星體，引力透鏡類星體SDSS J1004+4112是其中之一。此外，該源還被CfA-Arizona Space Telescope LEns Survey(CASTLES Survey)[27]和Gravitationally Lensed Quasar Database(GLQ Database)[28]收錄，特別是GLQ Database，Lemon等人[29–31]調(diào)查了各大巡天望遠(yuǎn)鏡，將已知的引力透鏡類星體和候選源重新用Gaia的觀測數(shù)據(jù)確定出來218個引力透鏡類星體，后續(xù)還會持續(xù)更新。

引力透鏡類星體SDSS J1004+4112具有5個分離的透鏡成像，其中2個像之間(A和B)的角距離為3.73′′，它在SDSS中的觀測圖像，如圖1所示。引力透鏡類星體SDSS J1004+4112的紅移zem=1.734±0.002[18,19]，因為起透鏡作用的是一個星系群，后來的研究中，透鏡的紅移都取Inada等人給出的星系群中起透鏡作用的紅移值(zl=0.68)[24,27,28]。在SDSS中，A,B 2個成像光譜的觀測日期(MJD)分別為52 672,67 389，2個像的赤經(jīng)(RA)、赤緯(Dec)分別是10h 04min 34.92s,+41°12′42.79′′和10h 04min 34.80s,+41°12′39.26′′。

圖1 引力透鏡類星體SDSS J1004+4112的SDSS觀測圖像

3 光譜分析

引力透鏡類星體SDSS J1004+4112 A,B 2個像的光譜來自SDSS DR15(The Data Release 15)[32]，光譜的信噪比分別是11.00和10.69，紅移分別為1.738±0.000 41和1.731±0.000 18。由于A像的光譜(MJD=52 672)是SDSS早期的數(shù)據(jù)，早期的光譜紅移測量，因為C IV發(fā)射線擬合有0.002的偏差[33,34]，所以A,B像的光譜紅移統(tǒng)一取Inada等人[18,19]測量所得的紅移zem=1.734±0.002。

偽連續(xù)譜是除了吸收線以外的原始光譜曲線擬合結(jié)果，所以我們在擬合吸收線前，先對光譜進(jìn)行偽連續(xù)譜的擬合。在觀測坐標(biāo)系中，我們采用迭代三次樣條函數(shù)的方式擬合偽連續(xù)譜，為了減少吸收線和剩余天光線的影響，在擬合中排除掉大于3σ的數(shù)據(jù)點[35–37]。光譜的偽連續(xù)譜擬合結(jié)果如圖2所示。對光譜流量進(jìn)行歸一化后，用高斯擬合C IVλλ1548,1551和Mg IIλλ2796,2803窄吸收雙線系統(tǒng)[17,38]，擬合結(jié)果如圖3所示。我們在觀測坐標(biāo)系下擬合吸收線，而后將擬合數(shù)據(jù)結(jié)果轉(zhuǎn)換至靜止坐標(biāo)系下，數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。

圖2 引力透鏡類星體SDSS J1004+4112光譜的偽連續(xù)譜擬合圖

圖3 引力透鏡類星體SDSS J1004+4112的吸收線擬合結(jié)果

表1 引力透鏡類星體SDSS J1004+4112吸收線的證認(rèn)結(jié)果

3.1 吸收線證認(rèn)的基本方法

我們用高斯函數(shù)擬合C IVλλ1548,1551和Mg IIλλ2796,2803吸收系統(tǒng)[38,39]，選擇證認(rèn)吸收線深度的置信水平Na＞2的吸收線。Na反映吸收線證認(rèn)的可信度，Na越大，吸收線的可信度越高，Na的表達(dá)式如下：

其中，F(xiàn)c是偽連續(xù)譜的流量，σF是歸一化前流量的不確定度，Sa是吸收槽的深度(即歸一化后吸收線的最低點與主成份流量為1之間的差值)，i代表數(shù)據(jù)點序號，n代表吸收特征附近超過±3個特征高斯寬度的像素點(±3σ)的數(shù)目。

用高斯函數(shù)對吸收線的輪廓進(jìn)行擬合，計算出靜止坐標(biāo)系下吸收線的等值寬度Wr，等值寬度的不確定度σr的定義[38]：

其中，λi為數(shù)據(jù)點的波長，p為線心λo處的高斯輪廓，σf為歸一化流量的不確定度，Δλ為相鄰點的間隔，z為紅移。

兩個不同成像光譜中吸收線等值寬度差異值的置信水平NΔW=ΔW/σΔW，其中ΔW=|Wr2-Wr1|為等值寬度差異值，差異值的不確定度是兩個不同成像光譜中吸收線在靜止坐標(biāo)系的等值寬度值，σr1,σr2分別是其等值寬度的不確定度。當(dāng)NΔW＞3時[38]，兩個像光譜的吸收線差異較明顯。

Lyα吸收線大量存在于Lyman線的藍(lán)端，除了Lyα吸收線之外的其他譜線難以證認(rèn)，因此不予證認(rèn)；此外，在SDSS光譜中5 580和6 700紅端的OH band區(qū)域存在很強的天光線殘差，也不予證認(rèn)。我們只證認(rèn)Mg II和C IV窄吸收線系統(tǒng)，其他窄吸收線系統(tǒng)或?qū)捨站€都不予證認(rèn)。我們給出引力透鏡類星體SDSS J1004+4112光譜的吸收線證認(rèn)結(jié)果，如表1所示。

吸收線對應(yīng)的吸收體相對類星體的速度νs表示為[38]：，其中zem表示類星體紅移，zabs表示吸收體紅移，c表示光速。Chen等人[38,39]在3 524個類星體中證認(rèn)得到3 580個C IV吸收系統(tǒng)和1 809個Mg II吸收系統(tǒng)，統(tǒng)計βs的范圍，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)C IV吸收體βs＜0.06[38]，而Mg II吸收體主要集中在βs＜0.02區(qū)域[39]，他們認(rèn)為吸收體離類星體較近，可能是來源于類星體相關(guān)的本征吸收體。因此，后來的研究用Chen等人的統(tǒng)計結(jié)果作為判據(jù)，C IV吸收體的βs＞0.06或Mg II吸收體的βs＞0.02時，吸收體是與類星體無關(guān)的中介吸收體。而吸收體相對透鏡天體的速度表示為：，其中zl表示透鏡天體的紅移。相同地，當(dāng)C IV吸收體|βl|＜0.06或者M(jìn)g II吸收體|βl|＜0.02時，吸收體距離透鏡天體較近，可能是透鏡天體的本征吸收體，否則是與透鏡天體無關(guān)的吸收體。

對于吸收體在視線方向上橫跨的尺度Dtra，我們采用Koyamada等人[13]的公式，當(dāng)zl＜zabs時，；當(dāng)zl＞zabs時，則Dtra=θDoa，其中角距離θ為3.73′′，D表示角直徑距離，下標(biāo)o,a,l和q分別表示觀測者、吸收體、透鏡天體和類星體。數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。

表2 引力透鏡類星體SDSS J1004+4112吸收線的相關(guān)數(shù)據(jù)

3.2 吸收線的證認(rèn)結(jié)果

引力透鏡類星體SDSS J1004+4112兩個像光譜MJD分別是52 672(A像)和57 389(B像)，類星體紅移為zem=1.734±0.002。我們用C IVλλ1548,1551和Mg IIλλ2796,2803吸收雙線系統(tǒng)在兩個像的光譜中證認(rèn)出了2個C IV吸收線系統(tǒng)和2個Mg II吸收線系統(tǒng)。對于C IV吸收線系統(tǒng)，對應(yīng)的吸收體相對類星體的速度βs＜0.06，C IV吸收線系統(tǒng)屬于本征吸收線。C IV吸收體比較靠近類星體，在A,B兩個像的光譜上，吸收線等值寬度差異NΔW＜3，紅移值相差約0.003 3，吸收體在視線方向上橫跨的尺度Dtra≈127.5 pc。

而對于Mg II吸收線系統(tǒng)，βs＞0.02，屬于干預(yù)吸收線，對應(yīng)的吸收體偏離類星體較遠(yuǎn)。Mg II吸收線的等值寬度在兩個像的光譜上差異NΔW＞3，紅移為0.676 1±0.006 1的Mg II吸收線系統(tǒng)在A像光譜上不顯著，吸收體的Dtra為26.280 kpc；而紅移為0.831 1±0.000 3的Mg II吸收線系統(tǒng)在B像光譜上沒有顯示，吸收體的Dtra為21.319 kpc。紅移為0.676 1±0.006 1的Mg II吸收體離透鏡天體比較近，吸收體相對透鏡天體的速度|βl|=0.002＜0.02；而A像上的Mg II吸收體的|βl|＞0.02，離透鏡天體比較遠(yuǎn)。

3.3 吸收線差異的分析

2004年，Oguri等人[19]在引力透鏡類星體SDSS J1004+4112 A,B兩個像的光譜上簡單證認(rèn)而得到3個Mg II吸收線系統(tǒng)，A像的光譜上證認(rèn)得到紅移為0.833和1.022兩個吸收線系統(tǒng)，B像的光譜上證認(rèn)得到系統(tǒng)紅移為0.676，吸收線在靜止坐標(biāo)下的等值寬度?0.5，但是沒有分析吸收線差異和吸收線的來源，也沒有列出C IV吸收線的證認(rèn)。本文在A,B兩個像的光譜上證認(rèn)Mg II和C IV吸收線系統(tǒng)，并分析兩個像光譜之間的吸收線差異，以及吸收線可能的來源。我們在A像上沒有證認(rèn)得到紅移為1.022的Mg II吸收線系統(tǒng)，可能是因為該吸收系統(tǒng)比較弱，容易受到光譜信噪比高低的影響。

引力透鏡類星體SDSS J1004+4112 A,B兩個像的視線方向上，距離類星體越遠(yuǎn)，視線上分得越開。對于C IV吸收系統(tǒng)，C IV吸收體在視線方向上橫跨的尺度Dtra約127.5 pc。兩個視線上吸收線等值寬度差異不明顯(NΔW＜3)，而吸收體紅移相差約0.003 3，與類星體紅移誤差0.002接近。所以，我們認(rèn)為引力透鏡類星體SDSS J1004+4112 A,B兩個像光譜上的C IV吸收線系統(tǒng)紅移相近，很可能來源于同一個吸收體，兩個視線方向上穿過的吸收體性質(zhì)相同。此外，C IV吸收體相對類星體的速度βs＜0.06，可能與類星體有關(guān)，引力透鏡類星體SDSS J1004+4112 A,B兩個像光譜上的C IV吸收體可能都來源于類星體的同一區(qū)域。

對于Mg II吸收線系統(tǒng)而言，Mg II吸收體距離類星體較遠(yuǎn)(βs＞0.02)，A,B兩個像上Mg II吸收線的等值寬度存在明顯的差異(NΔW＞3)，兩個Mg II吸收線系統(tǒng)的紅移分別為0.831 1±0.000 3和0.676 1±0.006 1，吸收體在視線方向上橫跨的尺度Dtra分別為21.319和26.280 kpc。紅移為0.831 1±0.000 3的Mg II吸收線系統(tǒng)只在A像光譜上存在，而紅移為0.676 1±0.006 1的Mg II吸收線系統(tǒng)只在B像光譜上存在；這可能是由于引力透鏡類星體SDSS J1004+4112兩個視線方向上的Mg II吸收系統(tǒng)來源于不同的吸收體。在B像的光譜上，Mg II吸收體相對透鏡天體的速度|βl|=0.002＜0.02，距離透鏡天體相對較近，吸收體可能來源于透鏡天體的本征吸收體。而A像上的Mg II吸收體的|βl|=0.086＞0.02，距離透鏡天體相對較遠(yuǎn)，可能來源于其他星系介質(zhì)或星系際介質(zhì)。

關(guān)于吸收體的橫向尺度，前人的研究[10–14]認(rèn)為，在引力透鏡兩個像的視線方向上，同一個吸收線系統(tǒng)只存在于一個透鏡像中，可能是對應(yīng)的吸收體較小，所以只有一個視線穿過了吸收體，而另一個視線沒有穿過吸收體。Misawa等人[14]分析引力透鏡類星體SDSS J1029+2623兩個像(角距離22.5′′)的光譜，發(fā)現(xiàn)窄吸收線系統(tǒng)在兩個視線上沒有相同的紅移，這說明窄吸收線對應(yīng)的吸收體橫向尺度小于在視線上的橫向尺度Dtra。但是，如果在兩個像的光譜中的吸收線紅移相同，這說明吸收體的橫向尺度可能大于在視線方向上的橫向尺度Dtra。我們的結(jié)果與前人的研究相似?；谠谝ν哥R類星體SDSS J1004+4112視線方向上吸收體的分布，Mg II吸收線在A,B兩個像上沒有相同的紅移，所以Mg II吸收體的橫向尺度可能小于Dtra，而C IV吸收線在A,B兩個像上的紅移相同，C IV吸收體的橫向尺度可能大于Dtra(約127.5 pc)。

4 結(jié)論

在引力透鏡SQLS中得到呈現(xiàn)四個像的引力透鏡類星體SDSS J1004+4112，我們在SDSS DR15中下載了其中兩個成像(A和B像)的光譜。通過C IVλλ1548,1551和Mg IIλλ2796,2803窄吸收雙線系統(tǒng)證認(rèn)得到兩個C IV吸收線系統(tǒng)和兩個Mg II吸收線系統(tǒng)。我們的結(jié)論如下：

(1)βs＜0.06的C IV吸收線屬于本征吸收線，對應(yīng)的吸收體接近類星體，可能與類星體有關(guān)。吸收線在兩個視線方向上的差異相對較小(NΔW＜3)。兩個視線方向上C IV吸收體可能來源于同一個吸收體，兩個視線方向上穿過的吸收體性質(zhì)相同，可能都來源于類星體的同一區(qū)域，吸收體的橫向尺度可能大于Dtra(約127.5 pc)。

(2)Mg II吸收線屬于中介吸收線(βs＞0.02)，兩個Mg II吸收系統(tǒng)的紅移分別為0.831 1±0.000 3和0.676 1±0.006 1，吸收體在視線方向上橫跨的尺度Dtra分別為21.319 kpc和26.280 kpc。兩個Mg II吸收線在兩個像光譜上的吸收強度都存在明顯差異(NΔW＞3)，紅移0.831 1±0.000 3和0.676 1±0.006 1的Mg II吸收系統(tǒng)分別只存在于A和B像光譜上。這可能是由于兩個視線方向上的Mg II吸收系統(tǒng)來源于不同的吸收體，吸收體的橫向尺度可能小于Dtra。

(3)B像上的Mg II吸收體(紅移為0.676 1±0.006 1)距離透鏡天體相對較近(|βl|＜0.02)，該吸收可能來源于透鏡天體的本征吸收體。而A像上的Mg II吸收體(紅移為0.831 1±0.000 3)，既與類星體無關(guān)(βs＞0.02)，也與透鏡天體無關(guān)(|βl|＞0.02)，該吸收體可能來源于其他星系介質(zhì)或星系際介質(zhì)。