双活动星系核寄主星系的光谱合成分析

汪梦欣，罗阿理

1. 中国科学院光学天文重点实验室(国家天文台)，北京 100101 2. 中国科学院大学，北京 100049

引 言

在冷暗物质宇宙学模型中,存在着星系的等级式成团理论，星系并合会产生不同尺度距离的星系对[1]间的并合过程会触发星暴以及超大质量黑洞活动的触发条件及结果也取决于并合星系的类型和气体含量等。当两个星系并合到kpc尺度时，两者的核球还是相互独立的，并合促使两者围绕着新的质量中心旋转，旋转速度约几百km·s-1，来自于两个并合源窄线区的窄发射线在视线投影方向会分别出现蓝移和红移现象，当这个速度差足够大，并且我们用一个光谱仪狭缝或者光纤在合适的倾角下去捕捉这个并合源的光，在光谱上会表现出窄线双峰的特征[2]。过往的研究也表明在大样本光谱巡天中去搜寻带有双峰窄发射线特征的星系是一种找到双活动星系核(AGN)候选体的有效办法[3-4]。

所谓星族，顾名思义就是在年龄、化学成分、空间分布及运动学特征方面非常接近的大量恒星的集合，星系的星族成分表征了其内部恒星的形成及化学增丰历史，为研究星系形成与演化提供了宝贵的信息。而星族合成就是基于星系的积分特征(如光谱、谱线指数)来确定其内部恒星构成的方法。

我们将基于郭守敬望远镜(LAMOST)的DR4巡天的河外光谱数据，构建一组双AGN候选体样本，并对这批样本的寄主星系的特性进行分析，了解这批特殊样本其宿主星系的物理特性。

1 双AGN候选体的构建

我们的样本来源于LAMOST DR4星系和类星体数据集，约153 000条光谱数据。基于LAMOST光谱数据特点，筛选出在重要发射线波段处表现出窄线双峰特征的目标。在初始阶段，通过对这批样本光谱信噪比、红移以及发射线等值宽度这些值的挑选，得到一批高质量的发射线星系样本，并对这些样本进行人眼筛选，挑出其中在关键的发射线Hα-[OⅢ]λλ4959, 5007以及Hβ-[NⅡ] λλ6548, 6584谱线轮廓上均表现出趋势相对一致的双峰结构或者强不对称性的光谱。LAMOST光谱中不仅包含有来自于星系核区的光，还有来自于寄主星系的恒星光。为了能对发射线谱线进行更精确的测量，我们对样本进行了星族合成STARLIGHT软件[5]重构其中的恒星成分。纯发射线光谱轮廓由发射线的若干种不同的动力学成分构成，主要可以分为三类，窄线成分(Hβ, [OⅢ], Hα, [NⅡ]), [OⅢ]的线翼，宽的Balmer发射线。为了对这三类动力学成分进行区分并判断其谱线是否存在红蓝偏移的双成分，构建了三种高斯模型来描述。采用非线性最小二乘方法进行拟合，并以卡方最小的拟合模型作为最优解。我们检查每个拟合，找出其中谱线轮廓拟合适用于多高斯模型的光谱。我们最终确定了325个源，表现出明显的窄线双峰或者强不称性的轮廓结构。图1给出其中一个源的拟合结果作为示例。

图1 窄线双峰星系光谱多高斯拟合示例

窄线双峰中的红移和蓝移成分可能由于不同光源的电离所激发，因此我们借助BPT图来鉴别每个成分的来源，对这325个源的红移和蓝移成分进行了BPT分类。图2给出了这325个双峰源的BPT分类图。我们采用Kewley等2001年提出的恒星形成星系和AGN的分界线[6]，以及Cid Fernandes等2010年提出的Seyfert Ⅱ与LINER的区分标准[7]，

图2 325个窄线双峰源的BPT分类

最终确定了在这325个目标中共28个源其红移蓝移双成分均落在BPT图的Ⅱ型AGN区间内，为我们的样本中最可能的双AGN样本。

2 双AGN候选体的光谱合成

为了对LAMOST中的双AGN候选体这批特殊目标的寄主星系的物理特性有更深入的了解，我们将其星族合成结果与LAMOST的普通Ⅱ型AGN的星族合成结果进行了对比，寻找两者的异同。这里选用的对照样本来源于Wang等2018年对LAMOST DR4的星系样本特征分类后构造的Ⅱ型AGN源的复合谱[8](我们称为单AGN复合谱)。我们的28个双AGN候选体其原始光谱在pipeline处理时都经过了天光背景扣除、大气吸收带扣除、波长定标。接着对其所有光谱进行了银河系消光改正，将其移回静止波段，并将所有光谱插值为统一的波长步长，波长范围为3 701～8 500 Å。我们采用传统的选取中值方法将28条双AGN候选体的光谱进行了合并，这样可以更直观的了解各个类型星系样本的星族成分，同时提高了光谱的信噪比。接着选用STARLIGHT软件分别对单AGN复合谱和我们的双AGN候选体样本的并合谱来进行星族合成。我们选用了BC03[9]模型中的45条简单星族(SSP)，覆盖了15个不同年龄和3种金属丰度。在拟合时，针对Ⅱ型AGN光谱中的非恒星成分，我们还添加了一个幂律谱。图3和图4分别给出了两者的结果。这两个图有相同的布局排列和标志含义。图中的左侧两个小图绘出了输入谱、合成谱以及残差谱，也就是纯发射线谱，右侧两个小图给出了星族信息，分别画出了每条SSP对总合成谱的光度贡献百分比(右上小图)以及质量贡献百分比(右下小图)。

表1 单AGN复合谱和双AGN候选体并合谱中的星族贡献百分比

图3 单AGN复合谱的拟合结果

3 星族合成结果对比

为了对相关星族信息有一个更易理解更直观化的分析，我们按照Fernandes等采用的的划分标准[5]，将15个年龄的SSP分为老年星族(年龄≥1×1010yr)、中等年龄星族(6.4×108yr≤年龄≤5×109yr)及年轻星族(年龄≤5×108yr)，表1中列出了每个量化的年龄区域中的SSP对光度贡献的百分比。结合表1及图3和图4，我们对两者的异同进行分析，针对不同年龄星族的贡献，两者中占主导的星族均为中等年龄星族，年轻星族贡献的很少，这个结论也与我们预想的一致，因为Ⅱ型AGN是被认为由核活动主导，其中的恒星活动强度很弱。相比于单AGN复合谱，双AGN候选体样本合成的并合谱中具有更多的来自于中等年龄及老年星族的贡献，反映出更剧烈的中心黑洞。在金属丰度影响方面，对照样本占主导的星族为太阳金属丰度的星族Z⊙，而双AGN候选体合并谱中贡献较多的星族为亚太阳金属丰度星族0.2 Z⊙和富金属丰度星族2.5 Z⊙，表现出了异性特征，也预示着这类样本中恒星形成历史更加复杂，呈现出了多样化。在幂律谱成分贡献方面，对照样本中幂律谱成分占比为8.2%，明显高于双AGN候选体合并谱中幂律成分的贡献。观察图3和图4中描绘质量贡献百分比的右下小图我们发现，对于两个光谱而言，老年星族贡献了其大部分质量，这个原因可能要归因于年轻的大质量性比老年星要演化的快很多。

图4 双AGN候选体并合谱的拟合结果