水脉泽寄主星系的Spitzer中红外特性研究

王 金， 林如秋， 吕不悔， 汪友鑫， 丘佳鹭， 吕泽胤， 张江水， 毛业伟

(广州大学 物理与电子工程学院， 广东 广州 510006)

0 引 言

天体脉泽辐射是微波波段的受激辐射.频率为22 GHz(JKaKc=616-523，λ～1.3 cm)的水脉泽辐射于1977年首次在邻近星系M33中被探测到以来[1]，对河外星系的水脉泽观测研究已有40多年.到目前为止，在搜寻探测过的5 000多个星系中，只在180多个星系中探测到了水脉泽辐射[2-7].水脉泽按其辐射的强度可分为千脉泽(脉泽各向同性光度小于10L⊙)和超脉泽(脉泽各向同性光度大于10L⊙)，前者通常与恒星形成区成协，后者的激发能源被认为来自于活动星系核(AGN)，且绝大多数为后者(>80%).其中约40%的水超脉泽辐射呈现出三种分量(蓝移分量、系统速度分量和红移分量)，这类脉泽辐射斑位于星系核区的吸积盘上，故称其为盘脉泽[8-9]；对盘脉泽的观测研究在计算黑洞质量、限制宇宙学模型和提高哈勃常数H0的精确度等方面是一个非常有效的工具[10-14].

绝大多数水超脉泽寄主于赛弗特二型(Sy2)和低电离发射线星系(LINER)[8,15]，这些星系的核区通常是被严重遮掩的(视线方向吸收柱密度NH>1023cm-2)[2,4,15]，研究显示水超脉泽寄主星系核区的吸收柱密度明显比非水脉泽寄主星系的要高[2,4,9,15-16]，且X射线和[O III]线光度都与脉泽光度存在正相关[8,17-18].射电波段的统计对比分析认为水超脉泽辐射依赖核的射电辐射能量，而且水超脉泽的射电光度强于非水脉泽[15,19]，这一点已被Liu等证实[20].

AGN作为水超脉泽辐射的激发能源，能示踪其固有强度的红外辐射有可能在脉泽产生过程中扮演着重要的角色.基于红外望远镜IRAS(Infrared Astronomical Satellite)的观测数据对当时较小样本的分析结果显示，远红外光度与脉泽光度间存在正相关[9,21].Kuo等[22]通过处理分析WISE(Wide-field Infrared Survey Explorer)红外望远镜数据发现，水超脉泽寄主星系的中红外辐射强于非水脉泽的，且在长波22 μm波段表现得更为明显，但寄主星系的中红外辐射与水脉泽辐射却没有明显的相关性.

红外望远镜Spitzer上安装的红外阵列相机(IRAC)和多波段成像光度计(MIPS)可以观测得到天体的红外辐射流量，其中，IRAC的观测波段为3.6 μm、4.5 μm、5.8 μm和8.0 μm，MIPS的观测波段为24 μm、70 μm和160 μm.本文利用IRAC和MIPS的观测数据，对水超脉泽寄主星系和非水脉泽寄主星系的中红外特性进行了统计对比分析.

1 样本和数据

基于Megamaser Cosmology Project(1)https://safe.nrao.edu/wiki/bin/view/Main/PublicWaterMaserList(MCP)数据库，笔者得到144个水超脉泽寄主星系，同时得到5 000多个未探测到水脉泽辐射的星系，考虑到水超脉泽星系的红移小于0.07，故非水脉泽的对比样本只选取了红移小于0.07的星系.笔者将这2个样本中的星系与Spitzer望远镜数据库的SEIP Source List(2)http://sha.ipac.caltech.edu/applications/Spitzer/SHA/中的星系进行了交叉认证(默认搜寻半径10″)，得到了45个水超脉泽寄主星系和749个非水脉泽寄主星系在3.6 μm、4.5 μm、5.8 μm、8.0 μm和24.0 μm波段的3角秒孔径的测光流量数据；99%以上的有效测光流量数据的信噪比≥10，84%的星系交叉认证位置差异≤2″.

2 分析和讨论

2.1 中红外光度分布

利用流量与光度的关系式[23-25]：

(1)

通过计算得到水超脉泽寄主星系和非水脉泽的Spitzer望远镜中红外观测波段的光度值.利用得到的中红外光度，对水超脉泽寄主星系和非水脉泽的中红外光度进行了柱状分布对比分析(见图1，空白柱为水超脉泽，填充斜线的柱为非水脉泽).

图1 水超脉泽和非水脉泽的Spitzer的红外光度分布

图1可见，水超脉泽与非水脉泽样本在短波3.6 μm的分布没有明显不同；但在4.5 μm、5.8 μm、8.0 μm和24.0 μm波段，中红外光度分布有明显不同，且波长越大，不同越明显，K-S检验的结果可以证实这一结论(见表1，3.6 μm的检验值0.334 3大于0.05，其余4个波段的检验值随波长的增加而减小，且都小于0.05).同时，笔者计算了这2个样本中红外光度平均值，对比发现水超脉泽寄主星系的中红外光度明显大于非水脉泽，且在长波24.0 μm差别更为明显，t-Test可以证实(表1，24.0 μm的检验值1.47E-4明显小于0.05)，该结果与红外卫星WISE的观测数据分析结果相一致[22]，这意味着水超脉泽寄主星系核区的尘埃要比非水脉泽的热.

表1 水超脉泽和非水脉泽的中红外光度平均值(logνLυ，光度用L⊙表示)

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

2.2 中红外谱指数

当用幂律谱(Power-law)模型(F∝υ-α)描述中红外辐射时[26]，可得到谱指数与波长、流量的关系式：

α21=log(Fλ2/Fλ1)/log(λ2/λ1)

(2)

利用该关系式得到5个波段之间的谱指数.谱指数的平均值显示，水超脉泽寄主星系的谱指数大于非水脉泽的，2个样本在α21和α43相差较大，但是t-Test结果显示2个样本的谱指数间不存在差异，见表2，这或许是由于水超脉泽寄主星系在各个观测波段的有效数据太少造成的，也或许是真实情况的反映，这需要在有足够观测数据时做进一步的统计分析.

另外，笔者利用2个样本的平均观测流量密度绘制了3.6μm～24.0 μm的能谱分布图(图2，其中黑色的圆点为水超脉泽，空心圆圈为非水脉泽)，能谱分布图中水超脉泽寄主星系和非水脉泽的中红外辐射谱形态基本一致，二者之间没有明显的区别，进而证实了2个样本的谱指数间不存在差异；从图2可见水超脉泽寄主星系的中红外辐射强度明显大于非水脉泽的.

图2 水超脉泽和非水脉泽的中红外能谱分布

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

填充黑色的圆和空心圆分别表示水超脉泽样本和非水脉泽样本

表2 水超脉泽和非水脉泽的谱指数平均值

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

2.3 脉泽光度和中红外光度的关系

AGN被认为是激发水超脉泽辐射的能量源，而红外辐射强度可示踪AGN辐射的固有强度，因此，水超脉泽辐射与红外辐射有可能会存在一定的相关性.之前的研究工作显示，脉泽光度与远红外光度存在一定的相关性[9,21].

本文利用Spitzer望远镜5个波段的观测数据，研究了这5个波段的中红外光度与脉泽光度的关系(图3).图3显示脉泽光度与红外光度间的弥散度较大，虽然有效数据少，但这一结果与利用WISE观测数据得到的中红外光度与脉泽光度的关系一致[22]，都显示二者之间没有明显的相关性.

图3 脉泽光度和Spitzer红外光度的关系

尽管现在认为，来自寄主星系中心AGN辐射的射电和X射线种子光子通过碰撞抽运产生水脉泽辐射[27].来自AGN的X射线辐射对核区的尘埃环加热，可以期待X射线辐射强会导致更强的红外辐射以及激发产生的脉泽辐射.本文的光度统计分析结果显示水脉泽星系比非水脉泽星系有更大的中红外光度，这一结果与上述预测相符合.然而，水脉泽光度与其寄主星系的中红外光度却并未表现出明显的统计相关性，这说明脉泽的产生机制复杂，除了与AGN辐射相关以外，可能还受到其他多种因素的影响，例如，脉泽放大路径的长度、前景脉泽云的形态结构以及其与来自AGN的背景射电辐射的准直效应[28]，脉泽环境中气体与尘埃的温差[29]，脉泽云中能级反转粒子的饱和度等.

3 结 论

本文基于红外望远镜Spitzer的测光观测数据，对水脉泽寄主星系和非水脉泽寄主星系的中红外性质进行了统计对比分析，得到结论如下：

(1)中红外光度的统计对比分析显示，水脉泽寄主星系的中红外光度明显大于非水脉泽寄主星系，且在长波24.0 μm波段的差异最为明显.

(2)谱指数与能谱分布的对比分析显示，2个样本谱指数平均值和中红外辐射谱形态没有明显区别.

(3)水脉泽光度与其寄主星系的中红外光度的相关性分析显示，二者之间没有明显的相关性.

笔者利用先进红外望远镜Spitzer观测数据得到，水脉泽寄主星系的中红外光度明显大于非水脉泽寄主星系，这一结果可以为将来水脉泽搜寻工作中样本源的选择提供可能的指导.