活动星系核多波段光变的研究

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活动星系核(active galactic nucleus;AGN)是天体物理领域中重要的研究对象之一,其涉及黑洞吸积、物质喷射、相对论性高能粒子的加速与辐射等多个极端物理过程。多波段的光变是活动星系核最独特的观测特征之一。基于光变分析,理论上能够在巡天中甄别出任何类型的活动星系核。此外,光变分析也是剖析活动星系核物理结构和物理过程最为有效的手段之一。本文基于光变分析,对两类特殊的活动星系核(低光度活动星系核和耀变体)进行了研究,分别探究了高红移低光度活动星系核的基本特征和光变特性以及喷流多波段光变活动的物理起源。第一章介绍了活动星系核的分类、基本模型、多波段辐射的特征以及涉及的物理过程,并详细综述了活动星系核的光变机制以及近年来的研究进展,最后对研究工作的背景以及意义进行了阐述。在第二章中,我们利用X射线光变对迄今为止观测时间跨度最长、流量极限最深的7 Ms Chandra南天深场(CDF-S)中“遗失”的低光度活动星系核进行了搜寻。我们发现了12个高红移的低光度活动星系核候选体。通过蒙特卡洛模拟,我们讨论了利用X射线光变搜寻活动星系核的效率,这对未来的X射线时域巡天搜寻活动星系核提供了参考。此外,我们还探究了这些低光度活动星系核的基本性质、CDF-S深场中活动星系核的光变比例以及活动星系核长时标X射线光变的“光度-光变强度”关系。主要的结果有:(1)低光度活动星系核可能存在两个子类。一类倾向寄主于大质量星系中,具有和高光度AGN相当的黑洞质量但吸积率较低;一类倾向寄主在低质量的矮星系中,具有较低的黑洞质量但吸积率和高光度AGN相当。(2)CDF-S深场中AGN的光变比例与模拟预计的AGN光变探测效率基本一致,证实了不同光度的AGN都具有X射线的长期光变。(3)高光度AGN长时标X射线光变的幅度与X射线光度存在反相关,但随着AGN光度的下降,低光度AGN的光变幅度不再遵循在高光度AGN中发现的反相关趋势,而表现出与光度无关的走势。观测到的“光度-光变强度”关系可以被一个经验的功率谱模型成功的再现。在第三章中,我们对一个具有极端喷流特性的高红移平谱射电类星体PKS 1502+106的多波段光变活动进行了详细分析。该源在2014–2018年期间发生了两次显著的光变活动(2015年期间发生的γ射线爆发和2017年期间发生的迄今为止耀变体观测到的光学偏振度最高的光学爆发)。在2015年γ射线爆发期间,PKS 1502+106发生了一次小时量级的快速Ge Vγ射线耀发活动。利用单区轻子模型,我们对多波段能谱的演化进行了建模分析,结果揭示了在耀发期间喷流辐射区存在较硬的电子谱分布(电子谱指数p=1.07±0.53),暗示了此次耀发活动很可能是由于磁重联导致。在2017年的光学爆发中,源的光学偏振度与光学流量呈现出非常紧密的相关性。通过对光学偏振Stokes参数的分析,我们的结果表明此次光学爆发活动很可能是由压缩比η>2.2的横向激波产生。PKS 1502+106中这两次显著的光变活动是目前为止在高红移耀变体中能够基于同时多波段观测数据详细分析的稀少事例,我们的分析揭示了两次光变活动的物理起源存在差异,对理解高红移耀变体喷流的光变活动提供了重要的参考。最后在第四章中我们对本文进行了总结,并基于下一代望远镜设备对活动星系核的研究进行了展望。
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