河外水超脉泽的VLBI观测研究

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本文主要内容为针对河外水超盘脉泽源所开展的高分辨率VLBI观测研究,其中研究主要涉及两个科学问题:一是通过对河外水超盘脉泽星系几何距离的精确测定来独立的限定哈勃常数,二是通过水超盘脉泽测定超大质量黑洞的质量,从而拓展星系-超大质量黑洞共同演化研究的星系种类与参数空间。  本文共分六章,在第一章中首先简要的回顾了河外水超脉泽的发现与搜索历史,以及近20年对河外水超脉泽的搜寻进展以及搜寻观测对仪器和天气的特殊要求。之后,介绍了现今已知的几种河外水超脉泽类型,包括盘脉泽、喷流脉泽与一般脉泽。在1.3节中大致介绍了脉泽辐射产生的机制以及针对水分子,产生22GHz脉泽辐射所需的物理条件。由于本人博士论文的主要研究对象都是盘脉泽源,因此在1.4节对经典的盘脉泽源NGC4258进行了详细的介绍,包括其脉泽盘的VLBI成图结果以及盘脉泽的几何模型。在本章的最后两节简要提及了水超盘脉泽源的观测对研究宇宙学以及星系-超大质量黑洞共同演化的意义。在本文第二章,对本文中主要涉及到的观测技术等进行了介绍。其中,首先介绍单天线与相控阵在观测原理上的区别与联系,之后详细说明了干涉阵观测的基本原理以及其区别于相控阵观测的特殊之处。然后,详细介绍了本人参与到的几次VLA相控阵22GHz测试观测的具体内容,以及通过不同测试所得出的VLA在22GHz上成功的进行相控阵观测对相控阵校准源的要求,包括校准源的强度、距离目标源的距离、在不同天气以及不同VLA阵型下最长的积分时间等。在本章的第2节讨论了干涉观测中所得到的干涉仪相位的具体构成以及不同成分对干涉观测效果的影响。延续到第3节,简要讨论了实际的干涉观测中对不同影响因素的校准以及水超脉泽VLBI观测中对数据的校准流程。并且,在此也简单对比了VLBI观测与连线干涉仪(如VLA)在数据处理上的区别。在本章最后,描述了在本人博士期间所涉及的VLBI观测中,在GBT相关基线数据上探测到的4mHz时延率残差问题,对该问题的具体描述以及对其成因的分析、排除与最终锁定。  本文第三章为对河外水超盘脉泽星系NGC5765b的几何距离测量工作。其中首先简要介绍了哈勃常数H0的测量历史与进展,以及近10年来对H0的测量和其在精确限制ACDM宇宙学模型参数中所起的作用,并由此引出MCP研究项目以及本章对盘脉泽源NGC5765b的几何距离测量的起因。之后,简要介绍了NGC5765b的基本性质以及对NGC5765b的VLBI测量,其中包括几何距离测量对盘脉泽空间绝对位置的要求,NGC5765b的相位参考VLBI观测结果,VLA相控阵的加入等系统升级对VLBI观测结果的提升,以及VLBI观测结果。本章第4节介绍了对NGC5765b中系统脉泽加速度的测量,其中包括对其谱线的长期GBT单天线监测观测,利用不同方法分别对系统脉泽以及高速脉泽加速度的测量与结果比较,以及加速度测量结果的下限。之后在第5节中给出利用贝叶斯方法对NGC5765b几何距离的拟合,其中首先介绍了传统几何距离测量方法的局限性以及引入贝叶斯方法的必要性,之后介绍了描述脉泽盘的物理模型参数以及贝叶斯拟合算法的具体流程与拟合结果。之后讨论了NGC5765b几何距离拟合结果中的系统误差。在NGC5765b的测量结果之前,MCP中已完成测距的水超盘脉泽系统对哈勃常数的精度限制为7.8%,添加了NGC5765b的测距结果之后,对哈勃常数的精度限制提高到了5.9%。结合NGC5765b的测量实例,在3.6节中给出了盘脉泽几何距离测量的必要条件。在3.7节中对NGC5765b的脉泽盘的相关物理特性进行了分析,其中包括高速脉泽的空间成团性,高速脉泽谱线强度与位置分布的关系,系统脉泽的波束角大小,NGC5765b脉泽谱线轮廓的整体光变以及对该脉泽源中AGN连续谱射电辐射的搜寻。  本文第四章为利用水超脉泽盘对星系中心的超大质量黑洞的质量进行动力学测量。其中,首先介绍了星系-超大质量黑洞共同演化研究领域的进展以及精确测定星系中黑洞质量的必要性,之后将盘脉泽与其他常用的动力学测定黑洞质量的方法进行了比较,并说明了盘脉泽方法相比其他方法的优势。之后,介绍了本人博士期间对盘脉泽源J0437+2456,ESO558-G009,MRK1029,NGC5495和NGC1320的黑洞质量测量。在本文第4节详细介绍了相关VLBI观测的观测设置、数据处理以及对J0437+2456和ESO558-G009绝对位置的测量。在4.5节详细描述了由盘脉泽VLBI观测数据来拟合黑洞质量的原理以及贝叶斯拟合方法,并在第6节中分别给出对上述5个星系黑洞质量的拟合结果以及拟合结果中的系统误差。在本文最后一节给出了本文的黑洞质量测量结果对MBH-σ关系的最新限制。  本文的第五章为对水超盘脉泽源的宿主星系性质与脉泽盘性质相关性的研究。其中首先简要回顾了不同研究者对水超盘脉泽的宿主星系在光学、X-ray和射电波段的研究进展以及现有的对水超脉泽现象出现概率理解的局限性。在本文第2节,定义了一个包含15个盘脉泽星系的“标准”盘脉泽样本。在本文第3节,分别利用单天线谱线轮廓与VLBI图像数据对脉泽盘的内外半径进行了估计。之后,比较了脉泽盘的物理尺度与黑洞质量之间的关系。在本文最后一节,利用WISE Band312μm光度、[OⅢ]光度与X-ray2-10keV光度分别示踪AGN的总光度,并与“标准”盘脉泽样本中的脉泽盘物理尺度进行了比较,并从中首次发现WISE12μm光度与脉泽盘的外半径可能存在线性相关关系,若该相关关系得到证实,则可直接支持脉泽盘的外半径是由于分子气体的动力学温度接近产生脉泽的最低值400K这一结论。  在本文的最后一章中,首先对与本文内容直接相关的MCP中利用水超盘脉泽进行几何距离测量与黑洞质量测量的后续研究工作计划进行了描述,并指出后续利用水超盘脉泽限定哈勃常数对帮助解决现有的不同测量方法得到相互不一致的结果这一困境具有非常重要的参考价值。之后,简要介绍了在早型星系中探测水超盘脉泽的意义与重要性,以及现阶段的研究进展。最后,介绍了新近提出的利用分子气体进行黑洞质量动力学测量这一方法中存在的限制因素以及用水超盘脉泽系统对这一方法进行检验和校准的必要性与最近进展。
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