文|史说百家
编辑|史说百家
【前言】七十多年前，博尔顿在20世纪40年代末发现了第一个河外射电源。不久之后，在1953年，第一张可分辨的天鹅座A的照片被拍摄下来，现在被认为是“经典双星”的原型。
这一突破之后，澳大利亚的无线电调查小组进行了开拓性的努力和联合王国，进行了首次大规模的无线电调查。
第一个类星体3C273在几年后的1963年被发现，这些关键性的发现为射电星系的观测研究奠定了基础。随后，基于林登贝尔提出黑洞是类星体中观察到的极端亮度的原因，20世纪70年代见证了描述射电星系动态演化的第一个模型的发展。
那么，迄今为止射电星系还存在吗？它的内部结构又是怎样的？
【锥形喷流】这些模型一般考虑两个最初的锥形喷流，由被加速到相对论速度的粒子组成。喷流与其主星系周围的星团内介质之间，相互作用决定了随后的演化。
在初始传播阶段保持足够向前冲压压力的喷流，将被来自周围介质的压力准直，或者更可能的是，在波瓣形成的早期阶段由喷流释放的等离子体的积聚。
无论如何，每个准直喷流都会导致马赫盘的形成，并且当超压喷流物质向赤道平面回流时，通过同步加速器辐射可观察到等离子体波瓣的膨胀，这种物体通常被分类为具有Fanaroff和Riley叶形态。
另一方面，遭受大量夹带的射流，来自恒星风或星际介质，将减速到跨音速并被中断。在这种情况下，喷流动量推力对波瓣的演化并不重要，喷流的作用只是为同步辐射波瓣提供能量。
通过求解一组流体守恒方程来确定叶瓣随后的膨胀，波瓣经历一个初始动量主导的超音速阶段，随后是绝热膨胀驱动的滑行阶段，最终在演化的后期阶段浮力上升。
自从50多年前首次提出模型以来，已经发表了大量描述活动星系核(AGN)喷流和波瓣演化的分析和数值模型。
【早期喷气叶片模型】在这个模型中，喷流是一束低频电磁波，相当于一对等离子体的量子场。该光束被周围介质吸收后的辐射压力为=/（Ω2)，对于喷射动能Q和光束横截面积Ω2在半径处稀有来自活跃的原子核。
如果光束和周围介质之间的相互作用导致电子偶产生，则压力增加，导致反应压力高达辐射压力的两倍；确切的因子取决于反射粒子的角度。
因此，射流的压力贡献表示为:
1⩽1<2是一个无量纲常数，描述了作为辐射或粒子与周围介质相互作用的光束功率的分数，以及这些粒子的反射角。
向前的喷射推力被来自周围介质的冲压压力所平衡=2，是假定恒定密度环境介质的气体密度，以及=/是喷射头的前进速度(参见图1)。
图一。朔伊尔的动力模型示意图[17我们在接触间断和弓形激波之间画出一个薄的激波气体壳，
评估了中产生的一阶微分方程稀有假设恒定的喷射半开角，在他们的模型a中，喷流长度与源年龄有关t。
喷射和环境参数为:
尺度超过几千秒差距的环境介质，很好地表现为以下形式的对称幂律密度分布，其中密度参数≡00是一个常数。因此周围介质施加在膨胀喷流上的冲压压力，随着远离中心核而减弱。
这与朔伊尔的原始恒定密度形成于何时=0，注意到=在这种极限情况下。
由射流膨胀的同步加速器发射瓣通常被假定为具有椭圆形形态，长轴与短轴的比率由轴比率定义=/⊥。
我们注意到这与轴的比例=/2凯撒和亚历山大的，朔伊尔通过考虑空腔充气所做的功，推导出与其LFEMW喷流相关的椭球体射电瓣的体积。
空腔中的总能量，U随着时间间隔增加由于输入的动能Q作为:
是容积的不同增加，并且凸角压力给出如下，特别是他们的方程式:
方程式(四)是描述腔总能量演化的一阶微分方程。我们求解该微分方程，假设空腔体积随着喷射长度的增加而膨胀，如下所示()=2；这里,2>0是常量。
这产生了根据源年龄的波瓣压力的表达式:
朔伊尔的一个主要局限性模型涉及波瓣的侧向膨胀，假设在任何给定时间，波瓣表面上的每一点都以相同的速度发生膨胀t。
该膨胀率是通过使凸角压力等于当凸角变宽时周围介质所呈现的冲压压力而得到的，即2⊥=()，其中环境气体密度合理地近似为∼−。这种侧向膨胀只能在喷射材料已经到达的位置开始。
在某个位置波瓣的半宽度r因此，沿喷射轴线的方向由下式给出:
【半解析模型】这些模型通常求解微分方程系统，该系统缺少描述射电源演化历史的解析解。
特纳和沙巴拉开发了一个半解析模型，半分析环境中的AGN电台，根据Falle的理论型号类别。RAiSE模型包括对早期模型的三个关键改进:
(1)与星系团的X射线观测和半解析星系形成模型一致的环境介质；
(2)椭球接触面上膨胀速度的角度依赖性；
(3)通过使用完整的微分方程而不是极限情况对从超音速到亚音速波瓣膨胀的形态转变进行建模，从而产生解析表达式。
在他们的模型中，波瓣和激波壳是由假定压力平衡状态下的一组小角体积元素构成的。固定角宽度的每个元件假设当空腔膨胀时接收恒定比例的喷射功率。
当激波壳在强激波超音速极限下膨胀时，这种假设在早期产生自相似膨胀，就像在凯泽和亚历山大的早期模型中一样。
受冲击壳体的每个小角元件的体积，[−/2,+/2)，由下式给出:
重要的是，受冲击的气体壳不会自相似地膨胀，因为非球形壳遇到的环境气体密度分布的陡度通常在其表面上不同，导致不同的增长率，这一预测与Mullin等人在最大射电源中观察到的较高轴比是一致的。
图3。特纳和沙巴拉示意图[22波瓣和冲击壳体的动力学模型。
【参数空间探索】源长度和轴比是可直接测量的模型预测，而在整个波瓣上积分的同步加速器光度是一个可以从源动态中近似得到的量。完整计算需要详细考虑粒子加速和损失过程，这些射电源属性对于通过可观测参数反演估算喷流能量收支至关重要。
我们研究了一系列输入参数下不同模型类别的行为，特别是单喷流动能Q，核心密度0和比例半径周围气体密度分布图。
射流功率和核心密度的变化在很大程度上，导致源长度的恒定偏移，这与平坦大气中的预期标度一致，∝1/4和∝−1/40对于以喷气式飞机为主的模型，以及∝1/5和∝−1/50对于叶主导的模范班。
两个模型都预测了波瓣轴比演化轨迹沿着源年龄轴水平移动，以响应射流功率和核心密度的变化，对于功率较小的射流和/或密度较大的周围介质，波瓣形成较早发生。
在叶轴比演化轨迹(即≲1最高产量研究)的近似恒定的环境气体密度部分，对射流功率和核心密度的变化有类似的响应，但一旦环境密度曲线开始变陡，在以后的时间里就不一致了。
相比之下，比例半径的变化产生的波瓣轴比演变在不同模型类别之间很不一致。
图7。四类分析模型对一系列输入固有参数预测的波瓣轴比演变。
【同步加速器光度】射电星系可以通过它们的同步辐射探测到，在分析射电源模型中，这种发射通常是通过假设波瓣压力和磁场之间的比例关系、发射粒子在喷流终止冲击时的加速度、以及由于宇宙微波背景光子向上散射造成的绝热、同步加速器和逆康普顿损耗而导致的后续损耗来计算的。
对每个波瓣的射频光度的完整计算超出了本综述的范围，而只考虑绝热损失就可以得到一个有用的估计值，绝热损失与叶片压力的变化直接相关。
在这种方法中计算的“无损”光度与叶片体积和压力相关，如下所示∝(+3)/2，在那里∼0.7是未老化无线电频谱的频谱指数。
波瓣的总内部能量，∼代表了传递到波瓣的喷流能量的一部分，因此，对于固定的时间和喷流功率，在所有模型中是非常相似的。
朔伊尔的预言模型又一次与后来的模型不一致，由于其较高的波瓣轴比，以及随之而来的较小的体积和较高的压力，在后期的无线电亮度比其他模型高100倍。
其余三个模型在后期是一致的，它们的波瓣压力很大程度上是根据波瓣内部能量的变化得到的对于所有的输入射流功率、核心密度和标度半径。
模型类在早期也是一致的模型，该模型预测，当系统由相对论性喷流的动量通量控制时，由于在波瓣形成之前显著更高的压力，会有更高的发光度。在这些早期，亮度比Falle的纯波瓣模型高100-1000倍和哈德卡斯尔。
图8。151 MHz的无损同步加速器光度(详情见正文)。面板和线条样式如中所示图6。
【结语】根据射电源的膨胀是由喷流的动量通量驱动还是由内部波瓣压力驱动，这些模型可以分为两大类。我们提出了朔伊尔和Falle模型，分别描述这两类中任何一类的其他文献模型的一般特征。
我们还分别研究了哈德卡斯尔提出的最新模型和特纳等人，它结合了射流动量通量和波瓣压力两个方面。
我们对不同的模型类别进行了相互比较，并针对一系列实际输入参数进行了高分辨率流体动力学模拟。我们的主要发现如下:
喷流动量通量和波瓣内压分别主导了早期和晚期射电源演化，对于描述波瓣形成阶段后的源动态的完整射电源模型，必须考虑这两者。
现实的环境气体密度分布，产生的射电源与Falle预测的自相似波瓣演化不一致型号类别，这自然解释了在巨大射电星系中看到的大轴比。
现有的分析模型忽略了喷流和宿主星系多相星际介质之间的相互作用，模拟这种相互作用的流体动力学模拟预测喷流会消耗≳1银河中的最高产量研究。
大多数观测到的射电源都是致密而短暂的，因此，这些过程可能与大部分射电源相关。在射电星系演化尺度的另一端，哈德卡斯尔指出，对于极端的损失，例如在高红移的大源中所预期的，大部分甚至所有的喷流能量都有可能被辐射掉。
这种机制可能会限制射电源可以增长的最大大小。现有的分析模型将源动态与同步加速器和逆康普顿辐射损失机制分离，因此，目前不能解决这个问题。
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参考文献
1、博尔顿，J.G。斯坦利，G.J。三个离散的银河射频辐射源的位置
2、詹尼森河；天鹅座一号地外射电源的精细结构
3、米尔斯湾；对天空中波长为3.5米的有限区域的射电源的初步调查
END
