10月9日，國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然·天文》(Nature Astronomy)在線發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于類星體寬發(fā)射線區(qū)起源的研究。這項(xiàng)研究由中國科學(xué)院高能物理研究所王建民研究員帶領(lǐng)的一個國際合作組攻關(guān)完成，合作組成員還有美國Wyoming大學(xué)和南京大學(xué)。
本項(xiàng)研究提出了寬線區(qū)起源于塵埃環(huán)的理論，自然地建立了中心超大質(zhì)量黑洞、吸積盤、寬線區(qū)和塵埃環(huán)之間的物理聯(lián)系，詮釋了寬線區(qū)譜線輪廓的物理意義，揭開了困擾天文學(xué)家長達(dá)70多年的活動星系核和類星體的寬線區(qū)起源和物理結(jié)構(gòu)的核心謎題。基于這個理論，可從譜線輪廓準(zhǔn)確地獲得超大質(zhì)量黑洞附近的電離氣體空間分布和動力學(xué)，使得目前誤差高達(dá)半個數(shù)量級的黑洞質(zhì)量測量精度有望大幅度提高。
早在1943年，美國天文學(xué)家K.Seyfert博士發(fā)現(xiàn)某些星系的核區(qū)具有寬度達(dá)到數(shù)千公里每秒的巴爾末發(fā)射線光譜，它們被稱為活動星系核。20年后，M.Schmidt發(fā)現(xiàn)了第一顆類星體，其光譜與活動星系核十分類似，由它產(chǎn)生寬發(fā)射線的區(qū)域被稱為寬線區(qū)。經(jīng)過半個多世紀(jì)的研究，人們得知類星體就是活動星系核，只是距離遙遠(yuǎn)其寄主星系不宜觀測而已。到目前為止，天文學(xué)家從Sloan數(shù)字巡天計(jì)劃中獲得了多達(dá)近50萬個類星體，最高紅移為z~7(此時(shí)宇宙年齡大約8億年)，其光譜與鄰近宇宙中的活動星系核十分相似。天文學(xué)家獲知這些特征已有70多年，但至今沒有一個能夠解釋寬線區(qū)等核區(qū)諸多觀測現(xiàn)象的統(tǒng)一理論。寬線區(qū)起源和物理，以及如何測量黑洞基本參數(shù)(質(zhì)量和自轉(zhuǎn))成為天文和天體物理的一個基礎(chǔ)性研究課題。
天文學(xué)家利用歐洲南方天文臺當(dāng)今世界最大望遠(yuǎn)鏡(VLT)發(fā)現(xiàn)，在距離銀河系中心黑洞大約1500個引力半徑處(大約0.4光天)，發(fā)現(xiàn)了被黑洞潮汐俘獲的分子云G2。受此啟發(fā)，王建民團(tuán)隊(duì)提出，活動星系核塵埃環(huán)中的云塊同樣會被中心黑洞的潮汐力俘獲瓦解。塵埃受核心區(qū)域輻射而蒸發(fā)，云塊分解成兩部分，大部分被黑洞引力束縛，旋轉(zhuǎn)下降，形成內(nèi)流和維里化兩個成份；潮汐拋射的部分只占不到10%，形成具有觀測效應(yīng)的外流，其物理?xiàng)l件恰好滿足光致電離機(jī)制要求。該團(tuán)隊(duì)通過定量建模，發(fā)現(xiàn)譜線輪廓的“不對稱性”、“輪廓畸變”和“線心移動”三大特征均與塵埃環(huán)張角有強(qiáng)相關(guān)，這說明寬線區(qū)應(yīng)主要起源于塵埃環(huán)。比起現(xiàn)有各種起源理論，該物理模型自然地為黑洞吸積原料、電離氣體來源和塵埃環(huán)等一系列關(guān)鍵過程建立了整體和系統(tǒng)的物理聯(lián)系。
目前，天文學(xué)家普遍采用反響映射技術(shù)(reverberation mapping)，通過監(jiān)測類星體寬發(fā)射線和連續(xù)譜的長期光變，測量兩者間的時(shí)間延遲獲得寬線區(qū)的尺度，結(jié)合譜線寬度可估計(jì)中心超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量。由于十分缺乏對譜線輪廓各個成分的物理解讀，目前對黑洞質(zhì)量估計(jì)的誤差高達(dá)2至3倍。這項(xiàng)研究使科研工作者終于能夠從譜線輪廓中可靠地分離出維里化成份，并可以結(jié)合偏振觀測確定維里化成份氣體盤的傾角。在消除各種不確定因素之后，黑洞質(zhì)量精度有望達(dá)到20%左右。
目前，王建民團(tuán)隊(duì)通過國際合作申請已獲得VLT觀測時(shí)間和偏振數(shù)據(jù)，近期可實(shí)現(xiàn)高精度測量黑洞質(zhì)量。這一成果有望為該團(tuán)隊(duì)的后續(xù)課題——用超愛丁頓吸積的類星體測量早期宇宙膨脹歷史——奠定可靠基礎(chǔ)，并幫助揭示大質(zhì)量黑洞與星系共同演化的細(xì)節(jié)。
此項(xiàng)研究由高能所王建民、杜璞、胡晨、宋盛雨央、李彥榮和張志翔，Wyoming大學(xué)M.Brotherton以及南京大學(xué)施勇合作完成。本研究受到科技部“重點(diǎn)專項(xiàng)”、國家基金委和中國科學(xué)院的大力支持。
左上圖是典型的類星體光譜，這些寬發(fā)射線的寬度通常有數(shù)千公里每秒，遠(yuǎn)大于太陽系或者銀河系旋臂上恒星的典型運(yùn)動速度。具有如此高的速度意味著核區(qū)存在一個強(qiáng)大而致密的引力場，這個致密天體——超大質(zhì)量黑洞的吸積過程釋放了強(qiáng)大的輻射，電離了周圍的氣體并發(fā)出輻射形成寬發(fā)射線區(qū)。右上圖顯示了本研究模型的基本過程。下圖顯示出四個典型的類星體光譜中各成分的組成。
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