摘 要:現在普遍相信類星體的反饋會調節寄主星系形成的進程，但其中具體的物理過程依然是個謎.類星體的外流是一個重要的候選者.為了確定外流的重要性，中國科學技術大學天體物理中心開展了寬吸收線類星體的一系列研究，取得了一些進展: (1)寬吸收線區的紫外吸收物質的柱密度比原來預計高出2個量級，低電離吸收線形成于飽和的高電離吸收線區；（2）射電寧靜的寬吸收類星體吸收物質主要在赤道面，并且不同的源吸收物質分布情況很不相同，而在射電強的類星體中，赤道和極向外流都是可能的；（3）共振散射線偏振表明，外流物質攜帶角動量.

關鍵詞:類星體， 吸收線

The physics of broad absorption line quasars

WANG Ting\|Gui

(Center for Astrophysics ， University of Science and Technology of China， Hefei 230026， China)

AbstractQuasar feedback is considered a crucial process in galaxy formation and evolution; however， details of the physical process remain a mystery. Quasar outflow is one possible process. To assess the importance of quasar outflow we have performed a series of studies on broad absorption line (BAL) quasars， and have obtained the following results. （1）The UV absorption column density is an order of magnitude higher than previously believed， and low ionization BALs are formed in the high ionization zone. (2) In radio\|quiet BAL quasars， the outflow is mainly confined to the equatorial directionwhile in radio\|loud ones both equatorial and polar outflows are possible. (3) The polarization of resonantly scattered lines suggests that the outflow carries large angular momentum.

Keywordsquasars， absorption lines

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1 引言

一些星系中心的超大質量黑洞吸積周圍的氣體，氣體在下落到黑洞過程中將巨大的引力結合能轉換成粒子的熱運動動能，產生大量的電磁輻射，同時吸積也是大質量黑洞增長的過程.它們的輻射光度甚至超過整個星系的恒星光度百倍，我們稱這些天體為活動星系核.近10年來的觀測表明，幾乎所有大質量星系的中心都存在超大質量黑洞，核活動是星系演化的一個特殊階段.人們普遍相信核活動巨大的能量輸出使得它在星系演化的過程中起關鍵的作用，產生了一系列觀測到的黑洞質量與星系參數的相關性.類星體是高光度的活動星系核統稱.

大約10%—20%的類星體具有寬的、藍移的離子吸收線，這些類星體被稱為寬吸收線類星體（BAL QSO）.最常見的紫外吸收線有CIV1549， NV1240， Lyα， SiIV1397， OVI1032， MgII2798， AlIII1870 等類Li離子共振吸收線（如圖1所示），這些吸收線是由類星體部分電離的高速外流物質吸收連續譜產生的，外流的速度可高達0.1c—0.2c(c為光速).如果這些外流具有足夠的質量外流速率，它可能是聯接核活動與星系演化的關鍵物理過程，同時也將對吸積過程產生重要影響. 因此確定寬吸收線類星體物理參數近年來受到特別重視.

本文將介紹寬吸收線類星體的研究背景和我們近年來在這方面開展的一些研究工作，包括吸收物質的柱密度，外流的幾何以及外流角動量的確定等. 

2 寬吸收類星體中外流的基本圖像

目前對寬吸收線類星體有2類截然不同的觀點：人們較為普遍接受的觀點是，所有的類星體都具有寬吸收線外流， 但外流只覆蓋一少部分的立體角，換言之，只在類星體的一些視線方向上觀測到了外流；另一類觀點是，只有一些特殊的類星體具有寬吸收線外流.觀測檢驗這2個觀點的主要方法是：（1）通過比較BAL QSO吸收線區的覆蓋因子與觀測到寬吸收線類星體的比例， 如果二者一致，則支持第一類模型；（2）檢驗BAL QSO與非BAL QSO性質在統計上的差別， 如果有差別，則二者可能是不同的. 第一類檢驗主要通過離子共振散射譜線的強度與理論模型預言的比較來確定.對大部分吸收線而言，離子與光子的作用并不是真吸收而是共振散射，因而通過測量別的方向上散射過來的光就可以確定散射物質覆蓋的區域.這一方法給出寬吸收線區的覆蓋因子上限為30%，但一定程度上與模型相關. 第二類方法發現BAL與非 BAL QSO只在發射線輪廓上有細微差別，BAL QSO的CIV線更加藍移，這可能說明它們有不同，或者只是二類系統不同的視角方向引起的，前者支持第一種觀點，而后者支持第二種觀點，因此第二類方法并沒有給出明確的傾向.

寬吸收線外流是由輻射加速的，如果外流的電離程度合適，活動星系核強的紫外輻射可以非常有效地加速物質外流.在光學薄的情況下，輻射加速度可以寫成：

其中σν為單位質量物質對頻率為ν的光子的吸收截面，Lν為頻率ν處單位頻率間隔的光度，λ為平均吸收截面與電子散射截面之比，LUV為積分光度，LEdd為完全電離的氫輻射壓與引力平衡時輻射光度(稱為Eddington光度)， M為黑洞的質量.對于典型的類星體而言，LUV/LEdd~0.1，λ取決于具體的吸收過程， 主要包括譜線的共振散射或者連續譜的光電吸收過程. 對于典型的類Li離子電離物質而言，共振散射的截面與光電吸收的截面之比量級為105.但共振散射只能發生在吸收物質共同坐標系共振頻率附近，很容易飽和，因此它的重要性取決于吸收物質的速度梯度.對于共振散射光學厚的物質，二者的相對重要性由柱密度的速度梯度（n(dr/dν)）以及電離連續譜的形狀決定.在考慮的電離度范圍，λ估計在10—10000之間. 在一些情況下，塵埃的吸收也是重要的輻射力來源.觀測上發現吸收線輪廓的一些特征也表明共振線輻射壓是外流的重要加速機制，如CIV吸收坑中有時在速度5800km/s處有剩余流量的峰，這是由于NV離子吸收類星體強的Lyα發射線后獲得額外的加速度而使得該速度段的離子數目降低引起的.

一些寬吸收線類星體的吸收坑的深度比局部連續譜深，從而要求寬吸收線物質同時也吸收發射線，換言之，寬吸收線區在發射線區外.對于類星體，典型的寬發射線區的尺度為1016—1017cm， 作為比較，典型的108M質量黑洞的半徑為1.5×1013cm.寬吸收線區可能延伸到pc（秒差距）尺度.從紫外吸收坑我們可以估計吸收離子柱密度的下限，這個下限對應的物質柱密度只有1021cm-2， 從吸收線輪廓看，吸收物質是連續地外流，從而估計吸收物質密度只有105—106cm-3.這種低密度的物質暴露在類星體的強輻射場中，物質的電離程度很高，類Li離子很難存在.一種解決方案是，在寬吸收線的內部存在高電離的吸收物質，這些物質吸收軟X射線，從而保證外面的類Li離子的存在.寬吸收線類星體中觀測到強的軟X射線吸收支持這種解決方案.