活動星系核中塵埃的模型的建立與分析

葉凱

摘 要：前我們對活動星系核核周塵埃的了解甚少。觀測表明，活動星系核中塵埃的組成成分及尺寸與銀河系星際塵埃有很大的區別，比如說活動星系核的消光曲線比銀河系星際消光曲線來得更平坦甚至呈灰色；2175A消光駝峰幾乎不見于活動星系核；在Ⅰ型活動星系核和Ⅱ型活動星系核中觀測到的異常硅酸鹽發射和吸收光譜特征。為了解釋觀測到的活動星系核紅外發射光譜能量分布，人們提出了許多塵埃模型。這些塵埃模型約束了塵埃的尺寸分布、大小以及幾何結構。

關鍵詞：活動星系核；消光駝峰；光譜能量；塵埃模型

一、引言

活動星系核（active galactic nuclei，簡寫為AGN）是一類中央核區活動性很強的河外星系，它包括塞弗特星系、類星體、射電星系、低電離核發射區（LINER）、蝎虎座BL天體、光變激變星系以及窄線X射線星系等，它是天體物理學研究的熱門課題之一。觀測證實其射電和高頻輻射之間存在明顯的各向異性，這就意味著活動星系核的分類以及觀測特征很大程度上依賴于觀測的取向。隨著活動星系核觀測的發展，學者們試圖用統一模型來對其進行解釋。Antouncci和Miller提出了統一模型理論，他們認為呈現不同觀測特征的活動星系核在物理本質上屬于同一類天體，活動星系核外圍環繞著一個光學厚塵埃環（optically thick dust torus），不同類型的活動星系核只是因觀測者視線相對于活動星系核對稱軸的取向不同而已。Ⅰ型活動星系核（Type 1 AGNs）是觀測者沿著塵埃環軸的方向看去，因而能看到核區、寬線區和窄線區；Ⅱ型活動星系核（Type 2 AGNs）是觀測者沿著塵埃環方向看去，由于核區和寬線區被塵埃環擋住，因而只能看到窄線和很弱的核區輻射。統一模型試圖用盡可能少的參數來解釋活動星系核，它假定了活動星系核本質上并非如觀測到的那樣存在差異性和多樣性。

二、活動星系核中塵埃的模型

活動星系核中塵埃的模型主要可以分為兩類：

1.活動星系核的統一模型認為，從活動星系核中心發出的高能電磁輻射會加熱寬線區外的塵埃，從而使塵埃在紅外波段發生熱輻射

對活動星系核中紅外波段光譜的研究對于驗證統一模型，明確塵埃的分布、塵埃環的結構以及對活動星系核的分類等都有十分重要的意義。為了解釋觀測到的活動星系核紅外發射光譜能量分布（被活動星系核光照加熱的塵埃輻射出的能量），人們提出了許多塵埃模型。這些塵埃模型約束了塵埃的尺寸分布、大小以及幾何結構，如：Pier和Krolik提出的均勻密度的環形圈（柱狀）模型，該模型的塵埃在環中連續分布且密度均勻，并且其對來自活動星系核中心源的輻射呈光學厚，其紫外消光超過1000星等。但是該模型不能用以解釋某些Ⅱ型活動星系核中的硅酸鹽發射譜以及Ⅰ型活動星系核中硅酸鹽發射中心區域較平緩且峰值向長波移動的現象；Laor和Drain提出的幾千pc光學厚平行平面板模型，該模型是在對NGC1068空間分辨的圖像研究的過程中發現的，他們認為塵埃的發射不僅僅限于環中，天體在中紅外的發射可以延展到很大的尺度。

2.硅酸鹽塵埃模型

硅酸鹽塵粒是銀河系和其他星系星際介質的主要成分之一。研究表明硅酸鹽的發射與塵埃的溫度，幾何形狀，及其密度分布密切相關。我們從文獻和Spitzer數據庫中收集了大量不同類型的活動星系核Spitzer紅外光譜，這些活動星系核的9.7μm硅酸鹽發射和吸收特征具有不同的特征強度、峰值波長和寬度。利用不同組測量出的宇宙塵埃模擬介電函數建立了一個包含不同顆粒成分和尺寸（從a=0.1μm上至10μm）的塵埃樣本庫（opacity library）。

依據Laor和Draine的“平行平面板”模型的輻射轉移法和“樣本庫”對3個活動星系核樣本（3C 273、NGC 3998和NGC 7213）的紅外光譜進行擬合，以此從最佳擬合結果中得到塵埃的組成和尺寸的性質。這3個活動星系核的18μm 特征譜與銀河系硅酸鹽光譜不同，尤其是3C 273 和NGC 7213有著很強的紅波尾翼和18μm O-Si-O彎曲帶。我們考慮了不同的塵埃種類及塵埃尺寸，利用MIE散射理論計算出塵埃的吸收截面以及塵埃的熱平衡溫度，從而計算出了活動星系核中塵埃的發射光譜。把各種塵埃種類及其不同尺寸對應的溫度反復測試進而得出了最佳擬合結果。

三、結論

為了解釋觀測到的活動星系核紅外發射光譜能量分布（被活動星系核光照加熱的塵埃輻射出的能量），人們提出了許多塵埃模型.這些塵埃模型約束了塵埃的尺寸分布、大小以及幾何結構。我們對3個活動星系核樣本（3C 273、NGC 3998和NGC 7213）的紅外光譜進行擬合，得出了活動星系核中的硅酸鹽塵埃尺寸應該是>1μm的結論，這比銀河系彌散星際介質中的塵埃的典型尺寸（0.1μm）要大得多。

參考文獻：

[1]Pier E A， Krolik J H. Infrared spectra of obscuring dust tori around active galactic nuclei. I-Calculational method and basic trends [J]. The Astrophysical Journal， 1992， 401： 99-109.

[2]Laor A， Draine B T. Spectroscopic constraints on the properties of dust in active galactic nuclei [J]. Astrophysical Journal， 1993， 402（2）： 441-468.

[3]Spoon H W W， Keane J V， Tielens A G G M， et al. Ice features in the mid-IR spectra of galactic nuclei [J]. Astronomy and Astrophysics， 2002， 385（3）： 1022-1041.

（作者單位：成都理工大學地球物理學院）