[论文解读] The Inner Jet of the Radio Galaxy M87

Y. Y. Kovalev, M. L. Lister+2 more|ArXiv.org|Aug 20, 2007

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 40被引用 116

一句话总结

本研究利用高分辨率2厘米VLBA观测揭示了M87喷流内区的边缘增亮结构及一条微弱且延伸的喷流反向特征，表明存在本征不对称性或具有快轴与慢鞘的双组分喷流。尽管预期存在强烈的相对论性束状效应，但喷流特征的运动速度仍低于光速的百分之几，暗示喷流的整体流动速度可能超过可检测的激波特速，支持采用轴-鞘模型来解释变异性TeV辐射及相对论性束状效应异常现象。

ABSTRACT

We report new 2 cm VLBA images of the inner radio jet of M87 showing a limb brightened structure and unambiguous evidence for a faint 3 mas long counter-feature which also appears limb brightened. Multi-epoch observations of seven separate jet features show typical speeds of less than a few percent of the speed of light, despite the highly asymmetric jet structure and the implications of the canonical relativistic beaming scenario. The observed morphology is consistent with a two stream spine-sheath velocity gradient across the jet, as might be expected from the recently discovered strong and variable TeV emission as well as from numerical modeling of relativistic jets. Considering the large jet to counter-jet flux density ratio and lack of observed fast motion in the jet, we conclude that either the inner part of the M87 jet is intrinsically asymmetric or that the bulk plasma flow speed is much greater than any propagation of shocks or other pattern motions.

研究动机与目标

• 利用2厘米波长的高动态范围VLBA观测，在亚秒差距尺度上解析M87的内区射电喷流。
• 研究喷流特征的运动学，并在M87高度不对称的喷流形态背景下检验相对论性束状效应模型。
• 确定观测到的喷流-喷流反向流量比及缺乏快速运动是否意味着本征不对称性或双组分喷流结构。
• 评估轴-鞘模型在解释观测到的形态特征及M87变异性TeV辐射方面的可行性。
• 通过独立成像和人工数据建模验证微弱反向特征的真实性。

提出的方法

• 使用完整跟踪时角观测和档案数据，在2厘米波长进行高动态范围VLBA成像，实现动态范围 >15,000:1。
• 从1995年至2007年使用VLBA和VLA进行多 epoch 监测，共21幅图像经由AIPS和Difmap处理以完成校准和可见度平面对特征拟合。
• 由不同作者独立使用Difmap和AIPS进行图像重建，以验证弱特征检测的一致性与稳健性。
• 通过与相同uv覆盖和噪声水平的人工数据集进行模拟，包括一个包含合成反向特征的数据集，以在无先验知识下测试检测可靠性。
• 将观测到的喷流-喷流反向流量比及特征速度与相对论性束状效应理论进行比较，以推断喷流本征参数（如整体流动速度β）。
• 利用轴-鞘速度梯度对喷流形态进行建模，以解释边缘增亮现象及缺乏快速运动特征的原因。

实验结果

研究问题

• RQ1 M87喷流与喷流反向的流量密度不对称性是否表明存在本征不对称性，或违反标准相对论性束状效应？
• RQ2 为何M87喷流特征的运动速度仅为光速的百分之几，尽管喷流-喷流反向流量比很高？
• RQ3 微弱且边缘增亮的反向特征是否可被确认为真实存在，而非仪器效应或噪声所致？
• RQ4 双组分轴-鞘喷流模型是否与观测到的形态、缺乏可检测运动及变异性TeV辐射一致？
• RQ5 观测对喷流物质本征整体流动速度β施加了何种约束？

主要发现

• VLBA图像揭示了边缘增亮的喷流结构及一条微弱且延伸约3毫角秒的东南方向反向特征，通过独立成像和人工数据测试确认其为真实存在。
• 多 epoch 观测显示喷流特征速度低于光速的百分之几，与简单相对论性束状效应模型预测的快速运动不一致。
• 喷流-喷流反向流量密度比表明，在核心附近3.1毫角秒内，本征整体流动速度β > 0.5–0.6，且在该半径之外增至>0.9。
• 观测到的形态及缺乏可检测运动支持双组分轴-鞘喷流模型，其中快轴与慢鞘共存，可同时解释边缘增亮现象及缺乏快速运动特征。
• M87变异性TeV辐射与轴-鞘模型一致，其中快速轴不可直接观测，但可通过逆康普顿散射产生高能辐射。
• 反向特征的流量密度和延伸结构在人工数据中被正确识别，证实其检测结果稳健，非人为伪影。