星系与活动星系核

Learning objectives / 学习目标

• 用 Sérsic profile、color、kinematics、gas fraction 和 scaling relations 描述 galaxies，而不把 Hubble type 当 evolutionary sequence；
• 区分 hierarchical assembly、major/minor mergers、secular evolution、environmental quenching 与 progenitor bias；
• 由 Eddington ratio、radiative efficiency 和 duty cycle 连接 SMBH growth 与 observed luminosity；
• 用 AGN unification 的 orientation/obscuration 框架解释 quasar、Seyfert、radio galaxy/blazar 的共同核心与非统一差异；
• 比较 radiative/wind/jet feedback energy、momentum 与 gas binding/cooling，说明正/负反馈和 subgrid uncertainty。

Prerequisites / 先修知识

• The Milky Way and Galactic Dynamics 的 disk/bulge/halo、rotation curve 和 stellar populations；
• Black Holes and Accretion 的 \(L=\eta\dot Mc^2\)、Eddington luminosity、jets；
• Flux/luminosity、surface brightness、Doppler broadening、lookback time；
• Correlation、selection bias 与因果 inference 的基本区别。

Scope and conventions / 范围与约定

• Galaxy morphology 是 wavelength、resolution、surface-brightness limit 和 viewing angle dependent；本课不把 ellipse/spiral/irregular 当 immutable species。
• Stellar mass \(M_\star\) depends on IMF、stellar-population synthesis、dust and star-formation history；所有 scaling relations have scatter。
• “Merger”通常指 gravitationally interacting galaxies coalescing；stars rarely collide directly，gas shocks/dissipates。
• AGN luminosity 用 bolometric luminosity when evaluating Eddington ratio；single-band luminosity requires bolometric correction。
• Unification by orientation explains many differences but not all; accretion state、mass、host、magnetic flux and evolution also matter。
• Feedback “energy exceeds binding energy”是必要量级检查，不保证 coupling geometry/timescale 足以驱走 gas。

Notation and modeling contract / 符号与建模契约

1. Galaxy morphology and scaling relations / 星系形态与标度关系

Knowledge ID: P12-U05-L02-K01

Spiral/lenticular/elliptical/irregular labels summarize visible structure；quantitative description needs bulge-to-total ratio、Sérsic index、axis ratio、color、specific SFR、gas fraction and kinematics. Sérsic profile：

\[I(R)=I_e\exp\left\{-b_n\left[\left(\frac{R}{R_e}\right)^{1/n}-1\right]\right\}.\]

\(n\approx1\) resembles exponential disk，\(n\approx4\) a concentrated de Vaucouleurs-like spheroid；real galaxies can have bars、breaks、multiple components，so a one-component \(n\) is not a physical identity。

Scaling relations compress dynamical/formation information：disk Tully–Fisher-like \(L\propto v_{\rm rot}^\alpha\)；elliptical Faber–Jackson-like \(L\propto\sigma^\gamma\)；fundamental plane links \(R_e\)、surface brightness and \(\sigma\)。Slopes/scatter depend on band、mass、redshift and sample selection。

从物理图景看，形态不是贴在星系上的永久标签，而是不同物质成分和轨道族在投影面上的综合结果。冷气体耗散能量后容易形成旋转盘；恒星主要通过无碰撞引力重排，随机轨道占优时形成较“热”的球状成分；bar、dust lane 与 star-forming clumps 又会让同一星系在紫外、可见光和红外中呈现不同类型。因此分类前必须先声明波段、空间分辨率、面亮度阈值和倾角。

标度关系也不是“由一个量决定另一个量”的因果定律。Rotation speed 同时响应总势阱，luminosity 则依 stellar population、dust 与 mass-to-light ratio；二者相关反映 galaxy assembly 的统计规律。真正有诊断力的是斜率、零点、intrinsic scatter 以及 residuals 是否再与 size、gas fraction 或 environment 相关。

图 1 把 Hubble-like sequence 明确标为 classification map，不是 galaxy 必经的时间路线。

图 2 按 Sérsic normalization 绘制 \(\ln(I/I_e)\)；两条曲线严格在 \((R/R_e,\ln I/I_e)=(1,0)\) 相交，且 \(n=4\) 同时具有更高中心浓度与更宽外翼。

2. Galaxy formation, mergers, and evolution / 星系形成、并合与演化

Knowledge ID: P12-U05-L02-K02

在 hierarchical picture 中 dark-matter halos grow by accretion/mergers，gas cools into potential wells、forms stars and is reheated/ejected by feedback。Galaxy stellar body need not mirror halo assembly one-to-one；gas cooling time、angular momentum、environment and feedback regulate baryons。

Major merger 可 destroy/rebuild disks、produce tidal tails/starburst and transform kinematics；minor mergers thicken disks/build halos；secular bars move angular momentum and gas。Ram-pressure stripping、strangulation and tidal processing in groups/clusters can quench satellites without a major merger。

看 distant galaxies 是 lookback snapshot，不是追踪同一个 object。Comparing redshift bins faces progenitor bias、surface-brightness dimming、morphological \(k\)-correction and mass completeness。可信 evolution result requires forward-modeled selection or number-density/progenitor matching。

在一次并合中，最先改变的往往不是恒星“相撞”，而是两个势阱对轨道的潮汐扭矩和气体的碰撞耗散。恒星可被抛入长 tidal tails，gas 则能失去角动量流向中心，引发 starburst 或 AGN；随后 violent relaxation 改写轨道分布。结果是否成为 elliptical、重新长出 disk，取决于 mass ratio、gas fraction、orbital geometry 和后续 gas accretion，不能由一张 merger image 唯一决定。

比较不同时代时还要区分“同一批对象随时间改变”和“样本成员发生替换”。例如某个高红移 blue galaxy 可能在低红移已 quench 而进入 red sample，另一些低质量对象后来才长到 selection threshold。若不把这种进出样本的概率放进 forward model，表面上的平均 size 或 color 演化可能主要是 selection 演化。

图 3 中 tidal tails carry orbital angular momentum；两盘变一椭圆只是 possible outcome，not universal。

图 4 把 galaxy evolution 表成开放账本，不是单向“气体全变恒星”：star formation 先产生完整 stellar population；其中一部分成为 long-lived stars/remnants 的终端 locked reservoir，stellar mass return 则从尚未锁定的完整 population 回到 gas，feedback-driven outflow 还可经历更长时标的 recycle。

3. Supermassive black holes and accretion / 超大质量黑洞与吸积

Knowledge ID: P12-U05-L02-K03

Massive galaxies 普遍含 central SMBH；dynamical masses and correlations such as \(M_{\rm BH}\)–\(\sigma\) suggest co-assembly but do not by themselves prove feedback causation。SMBH grows mainly through accretion plus mergers；radiatively efficient growth obeys：

\[L=\eta\dot M_{\rm in}c^2, \qquad \dot M_{\rm BH}=(1-\eta)\dot M_{\rm in}.\]

Eddington ratio \(\lambda_{\rm Edd}=L_{\rm bol}/L_{\rm Edd}\) characterizes state；Salpeter-like e-folding time scales as \(t\propto[\eta/(1-\eta)]/\lambda_{\rm Edd}\)。Early massive quasars therefore constrain seed mass、duty cycle、efficiency and possible super-Eddington phases jointly。

Gas supply must lose angular momentum from kpc to sub-pc scales；bars/mergers/cloud torques can help，但 merger presence neither necessary nor sufficient for every AGN。Obscuration and variability make instantaneous luminosity a noisy tracer of long-term growth。

SMBH 的“供油”难点可以理解为角动量阶梯：星系尺度扰动只能把气体送到中央几百 parsec，nuclear spirals、cloud collisions、gravitational torques 和 magnetized disk stresses 还要继续工作，才能让少量物质跨过更小尺度。于是 host 中拥有大量冷气体并不保证当前 nucleus 明亮，反之一次短暂 bright phase 也不能代表长期平均 accretion rate。

Black-hole mass 是长期积分量，AGN luminosity 是快速变化量。研究共同演化时，应把 luminosity function、obscured fraction、Eddington-ratio distribution 与 duty cycle 联合起来，再同 local relic \(M_{\rm BH}\) density 比较；不能用某一瞬间的 \(L/M_\star\) 直接当作整段历史的增长比。

图 5 说明 fueling problem 跨越多尺度；外层有 gas 不等于它必到 horizon。

图 6 示意 mass–luminosity–Eddington ratio plane；observed sample edges depend on flux selection。

4. Quasars and active galactic nuclei / 类星体与活动星系核

Knowledge ID: P12-U05-L02-K04

AGN 是 host galaxy nucleus 中由 accreting SMBH powered 的 compact luminous source。Quasar 通常指 high-luminosity AGN；Seyfert、radio galaxy、blazar 等标签来自 luminosity、lines、radio loudness and orientation-related observables，边界并非完全统一。

Key signatures：nonstellar broad-band continuum、broad/narrow emission lines、rapid variability、high-ionization lines、compact radio/X-ray core、jets。Variability gives causal size \(R\lesssim c\Delta t/(1+z)\) absent relativistic beaming corrections。

Orientation unification：dusty torus may hide broad-line region；jet pointed toward us is Doppler boosted as blazar。Yet covering factor、accretion rate/state、black-hole mass、host and evolution create intrinsic diversity。Radio-loud/radio-quiet dichotomy and changing-look AGN show pure geometry is incomplete。

AGN 光谱的物理图景是多尺度再处理：inner disk 产生主要连续谱，hot corona 可 Compton upscatter 成 X-rays，broad-line clouds 在更外侧高速运动，dusty structure 吸收短波并在 infrared 重辐射，kiloparsec narrow-line gas 则响应 escaping ionizing radiation。不同视线遮住的层次不同，所以“看不见 broad line”既可能是 orientation，也可能是 intrinsic state 或 sensitivity 的结果。

图 7 的 torus 和双锥是信息组织图，不应想成刚性、光滑且永远轴对称的甜甜圈。Clumpy obscuration、warps 和 time-variable covering 会改变 classification；图 8 的 spectral components 也说明，测量 aperture 越大，host starlight contamination 越强，必须先做分解才估 bolometric luminosity。

图 7 显示 torus/BLR/NLR/jet geometry；torus 不是 perfectly smooth rigid doughnut。

图 8 表明 host contamination 随 band/aperture 改变；AGN bolometric correction 不可从单点 universal extrapolate。

5. Feedback between galaxies and black holes / 星系与黑洞反馈

Knowledge ID: P12-U05-L02-K05

AGN radiation、disk winds and jets inject energy/momentum into interstellar/circumgalactic/intracluster gas。Feedback 可 suppress star formation（heat/expel/prevent cooling）也可 trigger localized collapse（compress clouds）；net effect depends on coupling、timescale、phase structure and replenishment。

基本账本：

\[E_{\rm fb}=\epsilon_f\eta\Delta M_{\rm in}c^2, \qquad \dot p_{\rm rad}=\frac{L}{c}.\]

Compare with gas binding \(E_{\rm bind}\sim fGM_{\rm tot}M_g/R\) or virial scale \(\sim M_g\sigma^2\) and cooling \(L_{\rm cool}\)。Energy sufficient does not imply correct location/phase；narrow jet may escape, or inflate cavities and distribute heat through shocks/turbulence。

Observed correlations \(M_{\rm BH}\)–bulge properties、quenching around massive galaxies、X-ray cavities and molecular outflows motivate feedback，but correlations plus selection do not uniquely determine subgrid prescription。Simulations tune/validate feedback across stellar masses、gas fractions、entropy profiles and redshifts。

反馈的关键不是“黑洞能量很大”这一事实，而是能量或动量在什么半径、以什么相态、用多长时间耦合。Radiation 可能只加速 dust-bearing gas，fast wind 可在 shocks 中热化，radio jet 可穿透 disk 后在 halo/cluster gas 中膨胀 cavity。若能量主要沿低密度通道逸出，中央冷云仍可形成恒星；若反复加热 circumgalactic gas，则即使不立即吹走 disk，也能阻止长期冷却补给。

正反馈与负反馈并不互斥：同一 outflow 可清空 nucleus，同时压缩边缘 cloud；观测上需要 spatially resolved gas velocity、temperature、density、star-formation age 和 energy budget，而不是只比较 global AGN luminosity 与 global SFR。数值模型还要在不同质量和红移上同时重现 stellar mass function、gas fractions、black-hole demographics 与 ICM thermodynamics，才算跨尺度闭合。

图 9 展示 radiative/wind 与 collimated jet 的不同 coupling geometry。

图 10 把 coevolution 表成 feedback loop，提示 simultaneous correlations can arise from shared gas supply。

Worked Examples / 完整例题

Worked Example 1 — 形态参数不是演化年龄

已知： projected axis ratio \(b/a=0.700\) 的 smooth elliptical candidate；历史 Hubble ellipticity class \(E_n\) uses \(n\approx10(1-b/a)\)。
研究对象/参考系： projected image plane；忽略 PSF and triaxial deprojection。
计算：

\[n=10(1-0.700)=3.00.\]

结果： projected class E3。
检查： \(b/a=1\) gives E0；more flattened gives larger \(n\)。
边界： This does not say “third evolutionary stage”；intrinsic triaxial shape and viewing angle are degenerate。

Worked Example 2 — Tully–Fisher scaling

已知： 同一 band/sample relation \(L\propto v_{\rm rot}^4\)；galaxy A \(v_A=250\,\mathrm{km\,s^{-1}}\)，B \(v_B=200\,\mathrm{km\,s^{-1}}\)。
研究对象： calibrated disk-galaxy population；inclination corrected。
计算：

\[\frac{L_A}{L_B}=\left(\frac{250}{200}\right)^4=2.44.\]

Magnitude difference：

\[M_A-M_B=-2.5\log_{10}(2.44)=-0.968\,\mathrm{mag}.\]

结果： A predicted 2.44 times luminous，about 0.97 mag brighter。
检查： faster rotation → larger luminosity in stated relation。
边界： scatter、band、gas fraction and selection mean this is statistical, not exact per galaxy。

Worked Example 3 — SMBH Eddington accretion scale

已知： \(M_{\rm BH}=1.00\times10^8M_\odot\)，\(\eta=0.100\)，\(L=L_{\rm Edd}\)。
系统边界： radiatively efficient inflow，\(\dot M_{\rm in}\) defined before radiation loss。
计算：

\[L_{\rm Edd}=1.26\times10^{39}\,\mathrm W,\]

\[\dot M_{\rm in}=\frac{L}{\eta c^2}=1.40\times10^{23}\,\mathrm{kg\,s^{-1}} =2.22M_\odot\,\mathrm{yr^{-1}}.\]

BH mass-growth rate \((1-\eta)\dot M_{\rm in}=2.00M_\odot\,\mathrm{yr^{-1}}\)。
检查： \(L\propto M\)；efficiency higher at fixed \(L\) means lower inflow。
边界： opacity/geometry、duty cycle and obscured bolometric correction affect inference。

Worked Example 4 — Feedback 是否有足够能量？

已知： BH accretes \(\Delta M_{\rm in}=1.00\times10^8M_\odot\)，\(\eta=0.100\)，coupling \(\epsilon_f=0.00500\)；host gas \(M_g=1.00\times10^{10}M_\odot\)，velocity scale \(\sigma=200\,\mathrm{km\,s^{-1}}\)。
系统边界： compare coupled AGN energy with rough gas binding \(E_{\rm bind}\sim(3/2)M_g\sigma^2\)。
计算：

\[E_{\rm fb}=\epsilon_f\eta\Delta M_{\rm in}c^2 =8.94\times10^{51}\,\mathrm J.\]

\[E_{\rm bind}\sim\frac32(1.00\times10^{10}M_\odot)(2.00\times10^5)^2 =1.19\times10^{51}\,\mathrm J.\]

\[\frac{E_{\rm fb}}{E_{\rm bind}}\approx7.50.\]

结果： energy budget is sufficient in magnitude。
检查： both energies in J；ratio dimensionless。
边界/解释： 不能由 ratio>1 直接推出 gas 被驱走；coupling phase、cooling、direction、delivery timescale and replenishment determine outcome。

Lesson synthesis / 课程综合

从 galaxy image 到 evolution claim 的稳健流程：quantify morphology/kinematics → correct selection and wavelength → connect populations across redshift without assuming identity → model halo/gas/merger/secular channels → infer SMBH accretion with bolometric/obscuration/duty corrections → test feedback with energy, momentum, spatial coupling and independent gas/star-formation observables。

Formula-and-decision table / 公式与决策表

Model boundaries / 模型边界

• Morphology is projected and band dependent；Sérsic \(n\) is not a formation label。
• Galaxy samples across redshift suffer mass/surface-brightness completeness and progenitor bias。
• Merger simulations depend on gas fraction、orbit、feedback and resolution；one spectacular example is not a population rate。
• \(M_{\rm BH}\)–\(\sigma\) correlation alone cannot establish which variable caused the other。
• AGN orientation unification is incomplete for changing-look/state/radio-loud diversity。
• Feedback subgrid parameters summarize unresolved multi-phase coupling and must be validated beyond one scaling relation。

Misconception clinic / 误区诊所

1. “Elliptical 会自然慢慢变成 spiral。” Hubble sequence is classification, not chronological track。
2. “Galaxies collide means stars collide frequently。” Galactic volume is sparse；gravity/tides/gas shocks dominate。
3. “每个 AGN 都由 major merger 触发。” Secular inflow and minor interactions also feed；gas delivery is multi-scale。
4. “Quasar 是没有 host 的特殊 star。” 它是 luminous AGN in a host galaxy，point-like appearance due to compact brightness/distance。
5. “Type 1/2 difference 全是 orientation。” Orientation explains much, but accretion state/evolution/covering factor add intrinsic diversity。
6. “AGN energy 大于 binding energy 就一定 quench。” Energy must couple to the relevant gas before radiating/escaping and on the right timescale。

Practice and retrieval / 练习与提取

1. [K01] \(b/a=0.50\) 对应历史 \(E_n\) 中哪一类？说明局限。
2. [K01] \(L\propto v^4\) 时 speed 增 10%，luminosity 增加多少？
3. [K02] 区分 major merger、minor merger 与 secular evolution 的一个可观测特征。
4. [K02] 什么是 progenitor bias，为什么 red galaxies at two redshifts 可能不是同一 population？
5. [K03] \(\eta=0.1\) 时 accreted rest mass 中多少 fraction 留进 BH（忽略 wind）？
6. [K03] 为什么瞬时 low AGN luminosity 不证明 SMBH 从未显著增长？
7. [K04] Rest-frame variability 1 day 的无 beaming size upper scale 是多少 AU？
8. [K04] 用 unification 解释 blazar unusually bright/variable 的两项机制。
9. [K05] \(L=10^{39}\,\mathrm W\) 的 radiation momentum flux \(L/c\) 为多少？
10. [综合] 设计一个区分 merger-triggered quasar 与 secular AGN 的 matched-control study。

Exit ticket / 课末检核

1. 同一 SMBH–bulge correlation 可由 feedback 还是 shared gas supply 产生？写出能区分的 time/spatial signatures。
2. 某 AGN outflow kinetic energy 十倍于 gas binding energy，但 galaxy still forms stars。给出四个不矛盾解释。

References and source notes / 参考资料与来源说明

1. OpenStax, Astronomy 2e, 26.2 Types of Galaxies — morphology、components and classification limits；accessed 2026-08-30.
2. OpenStax, Astronomy 2e, 26.3 Properties of Galaxies — luminosity、mass-to-light、rotation and scaling context；accessed 2026-08-30.
3. OpenStax, Astronomy 2e, 27.2 Supermassive Black Holes: What Quasars Really Are — compact AGN engine、accretion efficiency and variability；accessed 2026-08-30.
4. OpenStax, Astronomy 2e, 27.3 Quasars as Probes of Evolution in the Universe — duty/fuel evolution and galaxy–BH influence；accessed 2026-08-30.
5. OpenStax, Astronomy 2e, 28.2 Galaxy Mergers and Active Galactic Nuclei — mergers、starbursts、jets and AGN feedback；accessed 2026-08-30.
6. OpenStax, Astronomy 2e, 28.5 The Formation and Evolution of Galaxies and Structure in the Universe — hierarchical growth and SMBH–host coevolution；accessed 2026-08-30.
7. NASA Physics of the Cosmos, Supermassive Black Hole Feedback and Galaxy Evolution — jet/radiative feedback modes、hot gas and model needs；accessed 2026-08-30.

所有 TikZ 为按 profiles、selection and energy-budget equations 原创的 schematic；未复制 Hubble images or AGN artwork。

Source-to-content map / 来源—内容映射

复习与拓展

• 下一课把 galaxy-scale mass/gas/feedback 推到 groups、clusters、lensing and cosmic web。
• Unit 12.6：quasar/galaxy redshift distributions constrain expansion/structure only after selection and bias modeling。
• 可扩展：bulge–disk decomposition、fundamental plane、Soltan argument、AGN luminosity functions、radiation hydrodynamics、causal mediation analysis。