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中等质量黑洞研究内容： 中等质量黑洞研究内容： 1、背景 1、背景 广义相对论所预言的黑洞是一种非常奇特的天体，描述它只需三个参量（质量、角动量和电荷） ，但它的种种特性又非常迷人例如，宇宙中许多剧烈活动现象（如X射线双星、γ射线暴、活动星系核[AGN]等）都与它密切相关，因而它在探索基本物理理论以及宇宙演化中有着极其重要的作用在天文观测上，目前已知的黑洞可以分为两类：一类是“恒星质量黑洞” ，它们的质量大约是 5－20 M☉(太阳质量） ，是大质量恒星演化的产物；另一类是“超大质量黑洞” ，质量大约是 2 x 106－3 x 109 M☉，位于星系的中心（Kormendy 2004） 那么一个自然而来的问题就是：是否存在质量介于这两类之间的“中等质量黑洞”？ 在等级式宇宙论的星系形成模型中，超大质量黑洞是从中等质量的“种子”黑洞通过吸积或者并合生长而成；类星体的研究也强烈支持这个观点（e.g., Gnedin 2001） 这意味着很可能也有大量的质量在 103－106 M☉范围的中等质量黑洞， 因为条件不足未能长大而仍然存留在当今宇宙中 （e.g., Islam, Taylor NGC205: Valluri et al. 2005） ，或者大质量球状星团上（Gebhardt et al. 2001; Gerssen et al. 2002; 但另见Baumgardt et al. 2003a,b等） ；这些观测只能给出大约103－104 M☉的质量上限，不能给出是否存在质量 103 M☉量级的黑洞的明确结论（见van der Marel 2004 综述） 。

另外， 有研究者认为 “极亮X射线源”（ULX, LX ≥1039 erg s-1） 中藏有中等质量黑洞， 但它们的高X射线光度也可被一些恒星质量黑洞吸积模型所解释，因此目前还没有定论（详见Miller Marconi Gebhardt et al. 2000） 、集中度（Graham et al. 2001）等性质紧密相关，而与星系盘的有关性质无关 （Kormendy Greene & Ho 2006） 这更增加了对近邻宇宙中存在大量中等质量黑洞的怀疑这个基本问题仍然有待解决 从整个国际范围来看，关于中等质量黑洞的研究热潮刚刚兴起对于 IMBH AGN 及其寄主星系的小样本多波段观测（HST, Keck, Chandra, XMM，VLA 等）最近三年才开展；较大样本的研究还没有出现伴随着大规模光谱巡天数据的释放（SDSS, LAMOST 等）以及相应的自动化海量光谱分析能力的提高，未来几年将会是中等质量黑洞研究的蓬勃发展期特别地，鉴于我国 LAMOST 望远镜的较大的口径，我们预期将会有更多的、光度更低的、藏有更小质量的中心黑洞的矮星系被中国天文学家所发现 参考文献：参考文献： Barth, A. J., Ho, L. C., Rutledge, R. E., & Sargent, W. L. W. 2004, ApJ, 607, 90 Barth, A. J., Greene, J. E., & Ho, L. C. 2005, ApJL, 619, L151 Baumgardt, H., Hut, P., Makino, J., McMillan, S., & Portegies Zwart, S. 2003, ApJL, 582, L21 Baumgardt, H., Makino, J., Hut, P., McMillan, S., & Portegies Zwart, S. 2003, ApJL, 589, L25 Dong X., Wang T., Yuan W., et al. 2007, ApJ, 657, 700 Ferrarese, L. & Merritt, D. 2000, ApJL, 539, L9 Filippenko, A. V., & Ho, L. C. 2003, ApJ, 588, L13 Gebhardt, K., et al. 2000, ApJL, 539, L13 Gebhardt, K., et al. 2001, AJ, 122, 2469 Gebhardt, K., Rich, R. M., & Ho, L. C. 2002, ApJL, 578, L41 Gnedin, O. Y. 2001, Classical and Quantum Gravity, 18, 3983 Graham, A. W., Erwin, P., Caon, N., & Trujillo, I. 2001, ApJL, 563, L11 Greene, J. E., & Ho, L. C. 2004, ApJ, 610, 722 Greene, J. E., & Ho, L. C. 2006, ApJL, 641, L21 Hughes, S. A. 2002, MNRAS, 331, 805 3Islam, R. R., Taylor, J. E., & Silk, J. 2004, MNRAS, 354, 427 Kormendy, J. 1985, ApJ, 295, 73 Kormendy, J. 1993, IAU Symp. 153: Galactic Bulges, 153, 209 Kormendy, J. & Gebhardt, K. 2001, 20th Texas Symposium on Relativistic Astrophys, 363 Kormendy, J. 2004, Coevolution of Black Holes and Galaxies, p. 1 (astro-ph/0306353) Kormendy, J., & Kennicutt, R. C., Jr. 2004, ARA&A, 42, 603 Madau, P., Rees, M.J., Volonteri, M., Haardt, F., & Oh, S.P. 2004, ApJ, 604, 484 Magorrian, J., et al. 1998, AJ, 115, 2285 Marconi, A. & Hunt, L. K. 2003, ApJL, 589, L21 Merloni, A., Heinz, S., & di Matteo, T. 2003, MNRAS, 345, 1057 Merritt, D., Ferrarese, L., & Joseph, C. L. 2001, Science, 293, 1116 Miller, M. C., & Colbert, E. J. M. 2004, International Journal of Modern Physics D, 13, 1 Peterson, B. M., et al. 2005, ApJ, 632, 799 van der Marel, R. P. 2004, Coevolution of Black Holes and Galaxies, p. 37 (astro-ph/0302101) Valluri, M., Ferrarese, L., Merritt, D., & Joseph, C.~L. 2005, ApJ, 628, 137 2、2、研究内容及目标： 研究内容及目标： 1．近邻宇宙中的中等质量黑洞的数密度 我们将从SDSS 光谱库中挑选出低红移（z < 0.3） 、中心黑洞质量小于 106 M☉的宽线AGN，构成我们的中等质量黑洞样本。

我们预计能找到大约 350 个这样的源，大约是现在已知的样本数目的 30 倍基于这样的大样本，我们将得到中等质量黑洞的吸积率分布，计算出近邻宇宙中 105 M☉量级的中等质量黑洞的数密度 2．中等质量黑洞的寄主星系的性质及其与中心黑洞、核活动的关系 我们将从光学图像与光谱两个方面对中等质量黑洞的寄主星系进行研究 在图像方面，我们将利用丽江 2.4m 望远镜以及 HST 公开数据，开展对核区的星系成分（比如核球、伪核球、核区棒等）的研究，考察“核球”成分的光4度、集中度等属性与黑洞质量在低质量端的关系，探索核区棒是否起触发IMBH AGN 核活动的作用，等等在光谱方面，利用我们已经发展的一套光谱分析方法,我们将研究核区的星暴活动，星系的星族成分及其径向分布等, 并与正常星系样本、较高光度 Seyfert 样本、LINER 样本、经典 NLS1样本作比较对于一些很近的源，我们还能获得核球的速度弥散等参量综合这两方面的研究， 我们将对中等质量黑洞的寄主星系的整体性质、 它的 “核球”成分有一个详细的了解，并探索“核球”成分与中心黑洞的关系，与核活动的联系等问题 3．多波段研究与 IMBH AGN 的宽波段能谱分布（SED） 利用公开的天文数据,我们将对从 SDSS 中选出的 IMBH AGN 及其寄主星系进行多波段的研究, 包括射电(FIRST, NVSS)、红外（2MASS, Spitzer） 、紫外（GALEX）和 X 射线（ROSAT, Chandra, XMM）的观测数据。

一方面，进一步确定其寄主星系的恒星形成活动的性质（特别是一些源中的核区星暴） ；另一方面，探索 IMBH AGN 的吸积特性，绘制它的宽波段能谱分布（SED） ，并与超大质量黑洞 AGN 样本、经典 NLS1 样本作比较 4．分析 XMM-Newton 对 IMBH AGN 的观测数据 在 XMM-Newton AO-6 中，我们成功得到了 5 个 IMBH AGN 的观测时间另外我们将能从 XMM-Newton 的公开数据中获得另外 10－20 个的观测数据我们还将继续申请 XMM-Newton（以及 Chandra）的观测时间我们将考察 IMBH AGN 吸积盘发出的软 X-ray 黑体辐射，非热硬 X-ray 辐射以及可能的 Fe K 线特征；检查吸收特征，以及谱指数与光度、吸积率等的相关性等等；探索短时标光变，测量 RMS 涨落，以及可能作的功率谱分析，等等从而了解中等质量黑洞及其吸积性质，并与超大质量黑洞 AGN 样本、经典 NLS1 样本作比较 5．利用 LAMOST 寻找和证认更小质量的 IMBH 按照 LAMOST 计划，在本研究计划执行期间 LAMOST 已投入使用。

4m口径的 LAMOST 望远镜的星系光谱巡天将比 SDSS（2.5m）深 2 星等，我们预期可能会有光度更低的、藏有更小质量中心黑洞的矮星系被我们所发现我们从 SDSS 光谱中找出了一批候选者，在 SDSS 光谱上它们的宽线太窄太弱而不能可靠测量，我们将申请 LAMOST 时间来研究这些候选者，研究利用 LAMOST 大规模寻找 IMBH AGN 的可能性。