AAS  >> Vol. 7 No. 1 (January 2019)

    17个CIV Mini-BAL类星体吸收线等值宽度测量
    Equivalent Width Measurement of 17 CIV Mini-BAL Quasar Absorption Lines

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作者:  

陆美美,潘彩娟,韩清林,马石海,彭成敏,陆金玲:百色学院,材料科学与工程学院,广西 百色;
黄伟荣:广州大学物理与电子工程学院,广东 广州;
黄红艳:云南师范大学物理与电子信息学院,云南 昆明

关键词:
类星体CIV Mini-BALCIV NAL等值宽度值测量Quasars CIV Mini-BAL CIV NAL Equivalent Width Value Measure

摘要:

基于斯隆数字化巡天(Sloan Digital Sky Survey, SDSS)第十二期发布(The Data Release 12, DR12)的光谱数据,我们从40个具有CIVλλ1548,1551窄吸收双线等值宽度变化的光谱中,搜寻到17个具有CIV mini-BAL的类星体,其中11个源在CIV窄发射线附近有CIV NAL。利用高斯函数分别对CIV mini-BAL、CIV NAL进行拟合,通过测量等值宽度值,我们得到17个CIV mini-BAL的静止坐标系等值宽度平均值是3.75 Å,11个CIV NAL的静止坐标系等值宽度平均值是1.25 Å。

Based on the spectral data of the 12th issue of The Data Release 12 (DR12) of Sloan Digital Sky Survey (SDSS), we have 40 spectra with CIVλλ1548,1551 narrow absorption double line equivalent width variation, 17 quasars with CIV mini-BAL were found, 11 of which had CIV NAL near the CIV narrow emission line. Using the Gaussian function to fit the CIV mini-BAL and CIV NAL respectively, by measuring the equivalent width value, we obtained that in quasar rest frame, the average width of the equivalent of the 17 CIV mini-BAL and 11 CIV NAL is 3.75 Å and 1.25 Å, respectively.

1. 引言

类星体(quasar, QSO)是活动星系核(Active Galactic Nuclei, AGN)的一种,是人类目前探测到最遥远的天体之一。类星体光谱通常是幂律谱,具有许多发射线和吸收线。

发射线分为宽发射线和窄发射线,等值半宽(Full Widths at Half Minimum, FWHM)大于1000 km/s是宽发射线,宽发射线是允许线既具有如CIV、NV等高电离谱线,也具有如氢线、O I等低电离谱线。窄发射线除了FWHM较小外,其他地方与宽发射线没有显著的差别,无论是射电噪类星体还是射电宁静类星体,窄发射线的等值宽度随连续光谱光度的增加而减小 [1] 。它们都具有速度漂移,但窄发射线的速度漂移更倾向于蓝端移动,而不是红端 [2] 。

类星体光谱中有许多吸收线,当观察者视线方向穿过吸收云团时,类星体光谱就会被云团的离子或尘埃吸收。吸收线的起源相对复杂,部分吸收线来自于类星体本身,部分则来自于插入天体 [1] 。类星体吸收线一般可分为窄吸收线(Narrow absorption Line, NAL),速度宽度一般在500 km/s以内;微型宽吸收线(Mini Broad absorption Line, Mini-BAL),速度宽度在500 km/s~2000 km/s之间;宽吸收线(Broad absorption Line, BAL),速度宽度超过2000 km/s [3] [4] 。

Hamann在1997年第一次发现具有极大速度的Mini-BAL,1998年Turnshek证认了Mini-BAL类星体 [5] 。有学者认为,所有的类星体都有BAL吸收,但只在特定的视线范围内可以观察到 [6] 。还有另外一种可能性是,BAL可以代表一个特定的进化阶段 [7] [8] ,在此阶段中,某些物质被从类星体的中心区域驱逐出去。Mini-BAL与BAL可能代表一个类星体进化的不同阶段,较弱的Mini-BAL一般出现在较强的BAL的开始或结束的位置 [9] ;NAL、Mini-BAL、BAL也可能是在一个强的BAL外流的初始或晚期的阶段,因此,Mini-BAL、BAL可以用来描述同一个外流的不同阶段、不同区域和动力机制 [10] 。关于Mini-BAL与BAL的联系现在尚不明确,从紫外线(UV)的光谱图来看,证认Mini-BAL是有意义的,它们可以推导出BAL外流所涉及物质的化学成分和电离条件 [11] 。Mini-BAL系统是用于测量密度、金属丰度和外流质量等外流物理量的很好工具,这些外流物理量是AGN反馈必要的信息 [12] 。

BAL被认为与吸积盘的辐射外流有关,而Mini-BAL是NAL和BAL之间的一个中间子类,它通常比NAL范围宽,但比BAL范围窄。Mini-BAL具有BAL和NAL的优势,因此它可以成为宇宙的探针 [13] 。Lu et al.在2017年发现在J002710.06-094435.3源中CIV BAL和Si IV BAL都是由至少四对窄吸收双线组成,但是它们的轮廓差异很大 [14] 。

目前,对类星体NAL或BAL等值宽度的测量和研究比较多,但对类星体Mini-BAL的研究还比较少。本文将通过测量17个类星体的CIV NAL和CIV mini-BAL等值宽度值,研究CIV NAL和CIV mini-BAL的关系。第2节为样本介绍、第3节为光谱分析、第4节为数据分析、第5节为结论。本文使用的宇宙学参数分别是 Ω 0 = 0.3 Ω k = 0 Ω Λ = 0.7 H 0 = 0.3 km s 1 Mpc 1

2. 样本

斯隆数字巡天SDSS(Sloan Digital Sky survey, SDSS)是2.5米口径、宽视场的专用光学望远镜,它承担多波段成像和光谱红移巡天的重大任务。SDSS从2000年4月开始正式巡天,从开始正式巡天至2005年是SDSS第一阶段巡天(SDSS-I),2005年至2008年是SDSS第二阶段巡天(SDSS-II),2008年至2014年是SDSS第三阶段巡天(SDSS-III)。截至目前,SDSS已释放了超过521,000个类星体的光谱数据。

Chen [15] 在CIVλλ1548,1551窄吸收光变的研究中,从SDSS光谱数据中搜索出3524个具有多次观测记录的类星体,他们研究发现3524个类星体中只有40个源具有CIVλλ1548,1551窄吸收线光变现象。

在这40个具有CIVλλ1548,1551窄吸收线光变的类星体光谱中,我们用肉眼搜寻出有连续宽坑吸收的样本,通过线宽速度计算式:

Δ v = Δ λ λ c (1)

计算出宽吸收坑的线宽速度 Δ v 。式子中 λ 是观测坐标系下Mini-BAL中心的波长, Δ λ 是中心到两侧的展宽距离,C为光速。17个类星体的宽坑线宽速度范围是 601.77 km / s Δ v 1638.00 km / s ,属于Mini-BAL定义范围内的线宽速度。由于Chen [15] 在这些宽坑内证认出CIVλλ1548,1551窄吸双线,因此我们把这17个源称为CIV Mini-BAL类星体。

我们从SDSS DR12网站(https://dr12.sdss.org/basicSpectra)下载这17个源的光谱,17个源的红移范围是 1.78 z e m 3.00 ,SDSS对这17个源分别进行2至6次的光学光谱观测,由于光谱的信噪比影响吸收线等着宽度测量的质量,因此我们从多次重复观测光谱中选择最高信噪比的光谱进行研究,选择光谱的信噪比范围是9.96~42.09,源名、光谱名称、信噪比等相关信息详见表1

3. 光谱拟合

类星体光学波段的光谱由幂率连续谱、FeII发射线和其他发射线组成的。在观测坐标系中,我们利用 [16] [17] 的方法对发射线、幂律谱等成分进行伪连续谱拟合,并对光谱流量进行归一化,然后用高斯函数对吸收线轮廓进行拟合。

3.1. CIV Mini-BAL轮廓的拟合

我们通过肉眼对每个光谱的Mini-BAL轮廓进行分析,初步定出坑内吸收线的条数及线芯位置,然后利用高斯函数对坑内窄吸收线成分进行拟合,最后通过多个高斯叠加的方法对Mini-BAL轮廓进行拟合。在确定窄吸收线线芯位置时,我们首先确定明显的CIVλλ1548,1551窄吸收双线的位置,这对CIVλλ1548,1551窄吸收双线位置与Chen [15] 证认的结果是一致的。确定CIVλλ1548,1551窄吸收双线位置后,再确定其它窄吸收线线芯位置。

Table 1. Related data of 17 quasars

表1. 17个类星体的相关数据

说明:zem是类星体的红移;吸收线类型栏中的CIV NAL表示CIVλ1549窄发射线附近的CIVλλ1548,1551窄吸收双线、CIV Mini-BAL表示含有CIVλλ1548,1551窄吸收双线的微型宽吸收线;Δv是CIV Mini-BAL的线宽速度;zabs是CIV Mini-BAL中CIVλλ1548,1551窄吸收双线的红移;W0是静止坐标系等值宽度值,“无”表示测量不到等值宽度。

17个类星体光谱的CIV mini-BAL轮廓的拟合结果如图1所示。从图1中,我们可以看到,用多个高斯叠加得到的蓝色曲线与吸收坑轮廓符合得较好。图1中紫色竖线是CIVλλ1548,1551窄吸收双线的线芯位置,红色虚线是所使用高斯的线芯位置。在17个类星体光谱CIV mini-BAL轮廓拟合中,83% (即14/17)的CIV mini-BAL轮廓用4个高斯可以较好拟合,17% (即3/17)的CIV mini-BAL轮廓用6个高斯可以较好拟合。

Figure 1. The fitting of 17 quasars CIV mini-BAL contours. The horizontal coordinate is the observation wavelength and the vertical coordinate is the normalized flow value. The purple vertical line represents the position of narrow absorption double line of CIVλλ1548,1551. The red dotted line represents the core of the fitted line, the green Gaussian represents the contour of a single gaussian, and the blue line represents the result of the superposition of multiple gaussians

图1. 17个类星CIV mini-BAL的拟合。横坐标是观测波长,纵坐标是归一化后的流量值。紫色竖线表示CIVλλ1548,1551窄吸收双线的位置。红色虚线代表拟合的线芯,绿色高斯代表单个高斯的轮廓,蓝色线表示多个高斯叠加的结果

3.2. CIV NAL轮廓的拟合

为了研究CIV mini-BAL之外的CIVλλ1548,1551窄吸收双线的情况,我们在CIVλ1549窄发射线附近寻找CIVλλ1548,1551窄吸收双线,该对CIVλλ1548,1551窄吸收双线在本文中称为CIV NAL。

17个类星体光谱中,65% (即11/17)的光谱在CIVλ1549窄发射线附近有CIVλλ1548,1551窄吸收双线,35% (即6/17)的光谱在CIVλ1549窄发射线附近没有发现CIVλλ1548,1551窄吸收双线。

11个光谱的CIV NAL出现在观测坐标系4315 Å~5500 Å的范围内,我们对11个光谱的CIV NAL进行拟合,图2是我们的拟合结果,从图2中我们可以看到,CIVλ1549窄发射线附近的这些CIV NAL用两个高斯叠加就可以较好拟合。

Figure 2. The fitting of 11 quasars CIV NAL contours. The horizontal coordinate is the observation wavelength and the vertical coordinate is the normalized flow value. The purple vertical line represents the position of narrow absorption double line CIVλλ1548,1551. The red dotted line represents the core of the fitted line, the green Gaussian represents the contour of a single gaussian, and the blue line represents the result of the superposition of two gaussians

图2. 11个CIV NAL轮廓的拟合。横坐标是观测波长,纵坐标是归一化后的流量值。紫色竖线表示CIVλλ1548,1551窄吸收双线的位置。红色虚线代表拟合的线芯,绿色高斯代表单个高斯的轮廓,蓝色线表示2个高斯叠加的结果

3.3. 等值宽度测量

等值宽度通常定义为 [2] :

W = + ( 1 F λ F λ c ) d λ (2)

其中 F λ 是波长 λ 处的辐射流, F λ c 是对应联系光谱辐射流。利用 W 0 = W r / ( 1 + z a b s ) 将观测坐标系的等值宽度Wr转换为静止坐标系的等值宽度W0,zabs是吸收线的红移。CIV mini-BAL、CIV NAL静止坐标系的等值宽度W0表1所示。

图1图2中紫色竖线为系统自动卡出的CIVλλ1548,1551窄吸收双线的位置,利用 λ = λ 0 ( 1 + z a b s ) 计算出CIVλλ1548,1551的吸收红移zabs λ 0 是静止坐标系的波长。CIV mini-BAL的吸收红移就是图1中紫色竖线卡出的CIVλλ1548,1551窄吸收双线的红移。

4. 数据分析

4.1. CIV Mini-BAL的等值宽度与线宽速度的关系

根据(1)式,17个类星体的CIV mini-BAL的线宽速度如表1所示。吸收线的线宽速度一般与吸收物质的温度有关,而等值宽度值与吸收物质的密度有关。17个源的Δv-W0关系如图3所示,线宽速度与等值宽度关联系数为0.7794 ± 0.0002。因此,CIV mini-BAL的等值宽度与线宽速度存在一定的关联性。

Figure 3. The Δv-W0 relationship of 17 quasars CIV Mini-BAL. The horizontal coordinate is the CIV Mini-BAL equivalent width in the rest frame , and the vertical coordinate is the line width velocity of the CIV Mini-BAL

图3. 17个源CIV Mini-BAL的Δv-W0关系。横坐标是静止坐标系CIV Mini-BAL等值宽度,纵坐标是CIV Mini-BAL的线宽速度

4.2. CIV mini-BAL与CIV NAL等值宽度关系

CIV mini-BAL、CIV NAL静止坐标系等值宽度值W0表1所示。17个CIV mini-BAL静止坐标系等值宽度值范围是 0.53 Å W 0 8.08 Å ,71% (即12/17)的 W 0 2.25 Å ,29% (即5/17)的 W 0 < 2.25 Å ,W0平均值是3.75 Å。11个CIV NAL静止坐标系等值宽度值范围是 0.24 Å W 0 2.44 Å ,55% (即6/11)的 W 0 1.25 Å ,45% (即5/11)的 W 0 < 1.25 Å ,W0平均值是1.25 Å。CIV mini-BAL与CIV NAL的分布情况如图4所示。

Figure 4. The distribution of the equivalent width of CIV mini-BAL and CIV NAL. The horizontal coordinate is the equivalent width in the rest frame, and the vertical coordinate is the number of quasars. The green line represents the distribution of CIV NAL, and the black line represents the distribution of CIV Mini-BAL

图4. CIV mini-BAL与CIV NAL等值宽度分布。横坐标是静止坐标系等值宽度,纵坐标是类星体的数量。绿色线表示CIV NAL分布情况,黑色线表示CIV Mini-BAL分布情况

在静止坐标系,17个CIV mini-BAL等值宽度平均值与11个CIV NAL等值宽度平均值的比值等于3.00 (即3.75/1.25),由此我们推断,CIV mini-BAL可能包含多对CIVλλ1548,1551窄吸收双线成分,而且至少包含2对及以上的CIVλλ1548,1551窄吸收双线。

5. 结论

我们从40个具有CIVλλ1548,1551窄吸收双线等值宽度变化的光谱中,搜寻到17个具有CIV mini-BAL的类星体,其中11个源在CIV窄发射线附近有CIV NAL。利用高斯函数分别对CIV mini-BAL、CIV NAL进行拟合,通过测量、分析等值宽度值,我们得出如下结论:

17个类星体的CIV mini-BAL线宽速度与等值宽度关联系数为0.78,因此,我们认为CIV mini-BAL的等值宽度W0与线宽速度Δv可能存在一定的关联性。

在静止坐标系,17个类星体的CIV mini-BAL等值宽度W0的平均值是3.75 Å,11个类星体的CIV NAL等值宽度W0的平均值是1.25 Å,两个平均值的比值是3.00 (即3.75/1.25)。因此,我们推断,CIV mini-BAL可能包含多对CIVλλ1548,1551窄吸收双线成分,而且至少包含2对及以上的CIVλλ1548,1551窄吸收双线。

基金项目

广西自然科学基金(2017GXNSFAA198348);百色学院大学生创业创新计划项目(201710609115)。

NOTES

*通讯作者。

文章引用:
陆美美, 潘彩娟, 黄伟荣, 韩清林, 黄红艳, 马石海, 彭成敏, 陆金玲. 17个CIV Mini-BAL类星体吸收线等值宽度测量[J]. 天文与天体物理, 2019, 7(1): 11-19. https://doi.org/10.12677/AAS.2019.71002

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