水脈澤寄主星系的Spitzer中紅外特性研究

王 金， 林如秋， 呂不悔， 汪友鑫， 丘佳鷺， 呂澤胤， 張江水， 毛業偉

(廣州大學 物理與電子工程學院， 廣東 廣州 510006)

0 引 言

天體脈澤輻射是微波波段的受激輻射.頻率為22 GHz(JKaKc=616-523，λ～1.3 cm)的水脈澤輻射于1977年首次在鄰近星系M33中被探測到以來[1]，對河外星系的水脈澤觀測研究已有40多年.到目前為止，在搜尋探測過的5 000多個星系中，只在180多個星系中探測到了水脈澤輻射[2-7].水脈澤按其輻射的強度可分為千脈澤(脈澤各向同性光度小于10L⊙)和超脈澤(脈澤各向同性光度大于10L⊙)，前者通常與恒星形成區成協，后者的激發能源被認為來自于活動星系核(AGN)，且絕大多數為后者(>80%).其中約40%的水超脈澤輻射呈現出三種分量(藍移分量、系統速度分量和紅移分量)，這類脈澤輻射斑位于星系核區的吸積盤上，故稱其為盤脈澤[8-9]；對盤脈澤的觀測研究在計算黑洞質量、限制宇宙學模型和提高哈勃常數H0的精確度等方面是一個非常有效的工具[10-14].

絕大多數水超脈澤寄主于賽弗特二型(Sy2)和低電離發射線星系(LINER)[8,15]，這些星系的核區通常是被嚴重遮掩的(視線方向吸收柱密度NH>1023cm-2)[2,4,15]，研究顯示水超脈澤寄主星系核區的吸收柱密度明顯比非水脈澤寄主星系的要高[2,4,9,15-16]，且X射線和[O III]線光度都與脈澤光度存在正相關[8,17-18].射電波段的統計對比分析認為水超脈澤輻射依賴核的射電輻射能量，而且水超脈澤的射電光度強于非水脈澤[15,19]，這一點已被Liu等證實[20].

AGN作為水超脈澤輻射的激發能源，能示蹤其固有強度的紅外輻射有可能在脈澤產生過程中扮演著重要的角色.基于紅外望遠鏡IRAS(Infrared Astronomical Satellite)的觀測數據對當時較小樣本的分析結果顯示，遠紅外光度與脈澤光度間存在正相關[9,21].Kuo等[22]通過處理分析WISE(Wide-field Infrared Survey Explorer)紅外望遠鏡數據發現，水超脈澤寄主星系的中紅外輻射強于非水脈澤的，且在長波22 μm波段表現得更為明顯，但寄主星系的中紅外輻射與水脈澤輻射卻沒有明顯的相關性.

紅外望遠鏡Spitzer上安裝的紅外陣列相機(IRAC)和多波段成像光度計(MIPS)可以觀測得到天體的紅外輻射流量，其中，IRAC的觀測波段為3.6 μm、4.5 μm、5.8 μm和8.0 μm，MIPS的觀測波段為24 μm、70 μm和160 μm.本文利用IRAC和MIPS的觀測數據，對水超脈澤寄主星系和非水脈澤寄主星系的中紅外特性進行了統計對比分析.

1 樣本和數據

基于Megamaser Cosmology Project(1)https://safe.nrao.edu/wiki/bin/view/Main/PublicWaterMaserList(MCP)數據庫，筆者得到144個水超脈澤寄主星系，同時得到5 000多個未探測到水脈澤輻射的星系，考慮到水超脈澤星系的紅移小于0.07，故非水脈澤的對比樣本只選取了紅移小于0.07的星系.筆者將這2個樣本中的星系與Spitzer望遠鏡數據庫的SEIP Source List(2)http://sha.ipac.caltech.edu/applications/Spitzer/SHA/中的星系進行了交叉認證(默認搜尋半徑10″)，得到了45個水超脈澤寄主星系和749個非水脈澤寄主星系在3.6 μm、4.5 μm、5.8 μm、8.0 μm和24.0 μm波段的3角秒孔徑的測光流量數據；99%以上的有效測光流量數據的信噪比≥10，84%的星系交叉認證位置差異≤2″.

2 分析和討論

2.1 中紅外光度分布

利用流量與光度的關系式[23-25]：

(1)

通過計算得到水超脈澤寄主星系和非水脈澤的Spitzer望遠鏡中紅外觀測波段的光度值.利用得到的中紅外光度，對水超脈澤寄主星系和非水脈澤的中紅外光度進行了柱狀分布對比分析(見圖1，空白柱為水超脈澤，填充斜線的柱為非水脈澤).

圖1 水超脈澤和非水脈澤的Spitzer的紅外光度分布

圖1可見，水超脈澤與非水脈澤樣本在短波3.6 μm的分布沒有明顯不同；但在4.5 μm、5.8 μm、8.0 μm和24.0 μm波段，中紅外光度分布有明顯不同，且波長越大，不同越明顯，K-S檢驗的結果可以證實這一結論(見表1，3.6 μm的檢驗值0.334 3大于0.05，其余4個波段的檢驗值隨波長的增加而減小，且都小于0.05).同時，筆者計算了這2個樣本中紅外光度平均值，對比發現水超脈澤寄主星系的中紅外光度明顯大于非水脈澤，且在長波24.0 μm差別更為明顯，t-Test可以證實(表1，24.0 μm的檢驗值1.47E-4明顯小于0.05)，該結果與紅外衛星WISE的觀測數據分析結果相一致[22]，這意味著水超脈澤寄主星系核區的塵埃要比非水脈澤的熱.

表1 水超脈澤和非水脈澤的中紅外光度平均值(logνLυ，光度用L⊙表示)

注：1、2、3、4、5分別表示3.6 μm、4.5 μm、5.8 μm、8.0 μm、24.0 μm波段.

2.2 中紅外譜指數

當用冪律譜(Power-law)模型(F∝υ-α)描述中紅外輻射時[26]，可得到譜指數與波長、流量的關系式：

α21=log(Fλ2/Fλ1)/log(λ2/λ1)

(2)

利用該關系式得到5個波段之間的譜指數.譜指數的平均值顯示，水超脈澤寄主星系的譜指數大于非水脈澤的，2個樣本在α21和α43相差較大，但是t-Test結果顯示2個樣本的譜指數間不存在差異，見表2，這或許是由于水超脈澤寄主星系在各個觀測波段的有效數據太少造成的，也或許是真實情況的反映，這需要在有足夠觀測數據時做進一步的統計分析.

另外，筆者利用2個樣本的平均觀測流量密度繪制了3.6μm～24.0 μm的能譜分布圖(圖2，其中黑色的圓點為水超脈澤，空心圓圈為非水脈澤)，能譜分布圖中水超脈澤寄主星系和非水脈澤的中紅外輻射譜形態基本一致，二者之間沒有明顯的區別，進而證實了2個樣本的譜指數間不存在差異；從圖2可見水超脈澤寄主星系的中紅外輻射強度明顯大于非水脈澤的.

圖2 水超脈澤和非水脈澤的中紅外能譜分布

Fig.2 The middle infrared spectral energy distributions of H2O mega-maser and non-H2O maser

填充黑色的圓和空心圓分別表示水超脈澤樣本和非水脈澤樣本

表2 水超脈澤和非水脈澤的譜指數平均值

注：1、2、3、4、5分別表示3.6 μm、4.5 μm、5.8 μm、8.0 μm、24.0 μm波段.

2.3 脈澤光度和中紅外光度的關系

AGN被認為是激發水超脈澤輻射的能量源，而紅外輻射強度可示蹤AGN輻射的固有強度，因此，水超脈澤輻射與紅外輻射有可能會存在一定的相關性.之前的研究工作顯示，脈澤光度與遠紅外光度存在一定的相關性[9,21].

本文利用Spitzer望遠鏡5個波段的觀測數據，研究了這5個波段的中紅外光度與脈澤光度的關系(圖3).圖3顯示脈澤光度與紅外光度間的彌散度較大，雖然有效數據少，但這一結果與利用WISE觀測數據得到的中紅外光度與脈澤光度的關系一致[22]，都顯示二者之間沒有明顯的相關性.

圖3 脈澤光度和Spitzer紅外光度的關系

盡管現在認為，來自寄主星系中心AGN輻射的射電和X射線種子光子通過碰撞抽運產生水脈澤輻射[27].來自AGN的X射線輻射對核區的塵埃環加熱，可以期待X射線輻射強會導致更強的紅外輻射以及激發產生的脈澤輻射.本文的光度統計分析結果顯示水脈澤星系比非水脈澤星系有更大的中紅外光度，這一結果與上述預測相符合.然而，水脈澤光度與其寄主星系的中紅外光度卻并未表現出明顯的統計相關性，這說明脈澤的產生機制復雜，除了與AGN輻射相關以外，可能還受到其他多種因素的影響，例如，脈澤放大路徑的長度、前景脈澤云的形態結構以及其與來自AGN的背景射電輻射的準直效應[28]，脈澤環境中氣體與塵埃的溫差[29]，脈澤云中能級反轉粒子的飽和度等.

3 結 論

本文基于紅外望遠鏡Spitzer的測光觀測數據，對水脈澤寄主星系和非水脈澤寄主星系的中紅外性質進行了統計對比分析，得到結論如下：

(1)中紅外光度的統計對比分析顯示，水脈澤寄主星系的中紅外光度明顯大于非水脈澤寄主星系，且在長波24.0 μm波段的差異最為明顯.

(2)譜指數與能譜分布的對比分析顯示，2個樣本譜指數平均值和中紅外輻射譜形態沒有明顯區別.

(3)水脈澤光度與其寄主星系的中紅外光度的相關性分析顯示，二者之間沒有明顯的相關性.

筆者利用先進紅外望遠鏡Spitzer觀測數據得到，水脈澤寄主星系的中紅外光度明顯大于非水脈澤寄主星系，這一結果可以為將來水脈澤搜尋工作中樣本源的選擇提供可能的指導.