低质量中心黑洞与其宿主星系的性质

(今天简单的介绍一下最近的两篇关于低质量黑洞的工作,两篇工作相互关联,各有侧重,我在Carnegie的导师是作者之一,刚好也跟我提过这两篇工作,虽然我自己不做黑洞和AGN,也斗胆写两句,推荐给大家吧)

文章1:The Host Galaxies of Low-mass Black Holes

  • 作者:Yan-Fei Jiang, Jenny E. Greene, Luis C. Ho, Ting Xiao, Aaron J. Barth
  • 论文索引:astro-ph:1107.4015

文章2:Black Hole Mass and Bulge Luminosity for Low-mass Black Holes

背景知识:

从HST发射以来,天文学家们已经渐渐的明白了关于星系中心黑洞的两个重要事实,第一,在临近宇宙的大质量星系中,中心超大质量黑洞的存在相当的普遍;第二,这些星系中心的黑洞质量与星系的某些性质有非常有趣的相关,这里面包括了星系中心的速度弥散度,星系核球成分或者说椭球成分的质量或者光度。这些相关已经在关于黑洞形成和星系形成演化的模型中做了广泛的讨论,不过依然有很多的问题需要解决,比如,黑洞的存在是不是直接的依赖于核球的存在,小质量黑洞 (当然,这里的小质量依然是在超大质量黑洞的背景下,主要指的是质量小于<10^6 M_{\odot}的黑洞) 是否和大质量黑洞有一样的关系,小质量黑洞是不是更倾向存在于某类特殊性质的星系中?等等等等。

关于这些问题,已经有了很多的观测工作,比如,首先我们知道了不是所有的临近星系都有中心大质量黑洞存在,比如,著名的M33星系中心天体的质量就不超过1300个太阳质量,基本上否定了中心大质量黑洞的存在;比如,临近的很多没有经典核球存在的星系中心,也找到了超大质量黑洞的存在,至少证明,经典核球 (核球可以按照其面亮度分布和运动学的特征分成经典核球和伪核球两种,在有些说法中还有“花生”状核球的分类,不过这个基本上可以看作侧向看到的棒;对于经典核球,可以暂时简单的理解成通过早期快速恒星形成和并和过程形成的,而伪核球,更像是通过内部久期演化形成的结构) 不是形成超大质量黑洞所必须的;而且,关于几个重要的黑洞质量与星系性质的标度关系,也都有研究反映出小质量黑洞和大质量黑洞之间的差别。

关于进一步的介绍,请大家参考文章中的Introduction部分和里面的参考文献;简单的说,小质量黑洞和其宿主星系有没有什么特殊性?黑洞和星系性质的关系有什么样的不同?都是理解星系和中心超大质量黑洞演化的重要问题。

主要工作:

本文介绍的两篇工作都是围绕着同一批小质量黑洞星系样本的研究,包括了对中心黑洞质量的估计和HST图像的成分分解处理。首先,本文使用了 Greene & Ho 2007b 中从SDSS巡天中利用光谱中选出来的147个小质量黑洞的宿主星系,星系的黑洞质量利用光谱中的 H_{\alpha} 谱线进行估计,关于黑洞质量的估计,确实里面有很多的问题,如果仔细讨论的话几篇文章都写不完,这里我们暂且不谈;有了这批样本的HST WFPC2的观测图像,作者利用GALFIT进行了非常仔细的图像分解研究,在认真的考虑了图像PSF的影响之后,每个星系都用不同成分的模型进行了拟合。这样做的主要目的就是用来确认,第一,有多少的小质量黑洞宿主星系没有核球,第二,有多少的小质量黑洞宿主星系中没有盘成分,第三,这些星系的核球中,有多少是经典核球,多少是伪核球;仔细的图像成分分解研究对于本文介绍的工作是非常重要的,比如,区分经典核伪核球依赖于准确的Sersic指数估计;再比如,如果没有考虑到棒成分的存在,核球的光度可能会被高估,从而影响到黑洞质量和核球质量关系的估计。


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Fig.1:小质量黑洞宿主星系图像成分分解举例:从左到右分别是原始数据,GALFIT模型,残差图以及一维面亮度分布的比较(以及和PSF轮廓的比较);从上到下,分别是只需要一个成分的椭圆星系,需要一个核球和一个盘成分的Sa漩涡星系;需要核球,棒,以及盘三个成分的SBc星系

在本文介绍的工作中,图像成分分解是很关键的工作,这里面有很多的需要注意的地方,除了上面提到的PSF和多个成分的问题之外,如何处理相互作用的星系,具体如何区分核球和伪核球等等依然是很重要的问题,具体内容请参考文章中的介绍吧。


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Fig.2:本文样本星系核球光度与整体星系光度比值与星系整体光度的关系和其分布;Top panel显示了和I波段图像光度的关系,图中用红色三角表示的是不需要盘成分的星系;Bottom Panel显示了核球光度比值的分布与形态分类的关系,其中红色的直方图显示的是需要棒成分的星系的分布。

基本结论:

下面简单的总结一下这两篇文章得到的主要结论:

  • 1. 首先,利用GALFIT的图像分解发现,93%的低质量黑洞宿主星系有延展的盘成分;39%的有棒结构;只有5%的低质量黑洞宿主星系存在于没有盘成分的星系中。
  • 2. 其次,根据GALFIT给出的模型,尤其是核球成分的Sersic指数和核球光度比,发现绝大多数的小质量黑洞都位于伪核球当中,只有很小的一部分小质量黑洞也位于经典核球中。
  • 3. 利用本文样本中的核球成分构建的Fundamental Plane (速度弥散度,有效半径,有效半径处的面亮度空间存在的一个弥散很小的平面) 与经典核球的和椭圆星系的不同,而和以前研究给出的伪核球的类似关系比较接近
  • 4. 在另一个重要的结构关系:Faber-Jackson关系:光度-速度弥散度关系上面,本文中使用的小质量黑洞宿主星系的核球成分同样显示出来了一些差别,具体说来,就是和经典核球以及椭圆星系相比,在固定的光度上,本文的核球成分速度弥散度更低。
  • 5. 对于最有意思的黑洞质量-核球光度关系上,本文样本中给出的类似关系确实与大质量黑洞中的关系有明显的差别;具体说来,核球的光度分布的范围更广;另外,在低黑洞质量端,这样的关系的轮廓整体上更加平坦;即便把从光度得到的核球质量换成利用动力学得到的核球质量,关系的差别依然如此。

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Fig.3: 展示了本文样本中星系的核球构建的Fundamental Plane的不同投影关系和其他样本的对比,图中蓝色空心圆圈展示的是本文的样本;黑色的实心圆圈展示的是Kormendy 2009文章中的大质量椭圆星系和S0星系的核球;绿色实心圆圈是著名的致密椭球星系M32; 绿色实心和空心的方块展示的是Virgo星系团中和Local Group中的小质量椭球星系的分布


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Fig.4:展示了本文样本中不同类型的星系在Faber-Jackson关系上的分布,以及和其他类型星系的对比;图中蓝色圆圈指示的是有盘成分的小质量黑洞宿主星系;红色三角指示的是没有盘成分的;灰色的空心圆圈展示的同样的是本文的样本,只是测量的方法不同,蓝色空心圆圈是利用Magellan观测给出的高分辨率光谱中的Ha线,而这里用的是SDSS光谱中的[SII]线。

基于这两篇文章进行的工作,我们知道小质量中心黑洞的宿主星系大多数情况下是没有经典核球的盘星系,这些星系的光度,核球光度,核球光度比值都比大质量黑洞的宿主星系要低;其核球的具体性质,也更加接近利用内部久期演化过程形成的伪核球,并且其光度和动力学质量与黑洞质量没有明显的相关。通过这个工作,进一步的证明了核球并不是形成黑洞的必须条件,而且伪核球和其中黑洞的关系不能看成是经典核球或者椭圆星系中存在关系的延伸,这两者之间,在性质上,甚至黑洞形成的过程上,都应该存在着本质的差别。


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Fig.5:最后展示的是核球光度或者动力学质量与黑洞质量估计的关系,本文样本中的小质量黑洞宿主星系的分布和拟合结果用蓝色的空心圆圈与虚线表示,来自于之前工作的大质量黑洞的分布和拟合结果也用黑色的点和虚线展示在图中

延伸阅读:

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