您现在的位置:首页 > 新闻动态 > 高能新闻 > 2017年高能新闻
 
破解类星体宽线区之谜,黑洞质量测量精度有望大幅提高
2017-10-10|文章来源:粒子天体物理中心 |【
 

  10月9日,国际顶级学术期刊《自然·天文》(Nature Astronomy)在线发表了一项关于类星体宽发射线区起源的研究。这项研究由中国科学院高能物理研究所王建民研究员带领的一个国际合作组攻关完成,合作组成员还有美国Wyoming大学和南京大学。

  本项研究提出了宽线区起源于尘埃环的理论,自然地建立了中心超大质量黑洞、吸积盘、宽线区和尘埃环之间的物理联系,诠释了宽线区谱线轮廓的物理意义,揭开了困扰天文学家长达70多年的活动星系核和类星体的宽线区起源和物理结构的核心谜题。基于这个理论,可从谱线轮廓准确地获得超大质量黑洞附近的电离气体空间分布和动力学,使得目前误差高达半个数量级的黑洞质量测量精度有望大幅度提高。

  早在1943年,美国天文学家K.Seyfert博士发现某些星系的核区具有宽度达到数千公里每秒的巴尔末发射线光谱,它们被称为活动星系核。20年后,M.Schmidt发现了第一颗类星体,其光谱与活动星系核十分类似,由它产生宽发射线的区域被称为宽线区。经过半个多世纪的研究,人们得知类星体就是活动星系核,只是距离遥远其寄主星系不宜观测而已。到目前为止,天文学家从Sloan数字巡天计划中获得了多达近50万个类星体,最高红移为z~7(此时宇宙年龄大约8亿年),其光谱与邻近宇宙中的活动星系核十分相似。天文学家获知这些特征已有70多年,但至今没有一个能够解释宽线区等核区诸多观测现象的统一理论。宽线区起源和物理,以及如何测量黑洞基本参数(质量和自转)成为天文和天体物理的一个基础性研究课题。

  天文学家利用欧洲南方天文台当今世界最大望远镜(VLT)发现,在距离银河系中心黑洞大约1500个引力半径处(大约0.4光天),发现了被黑洞潮汐俘获的分子云G2。受此启发,王建民团队提出,活动星系核尘埃环中的云块同样会被中心黑洞的潮汐力俘获瓦解。尘埃受核心区域辐射而蒸发,云块分解成两部分,大部分被黑洞引力束缚,旋转下降,形成内流和维里化两个成份;潮汐抛射的部分只占不到10%,形成具有观测效应的外流,其物理条件恰好满足光致电离机制要求。该团队通过定量建模,发现谱线轮廓的“不对称性”、“轮廓畸变”和“线心移动”三大特征均与尘埃环张角有强相关,这说明宽线区应主要起源于尘埃环。比起现有各种起源理论,该物理模型自然地为黑洞吸积原料、电离气体来源和尘埃环等一系列关键过程建立了整体和系统的物理联系。

  目前,天文学家普遍采用反响映射技术(reverberation mapping),通过监测类星体宽发射线和连续谱的长期光变,测量两者间的时间延迟获得宽线区的尺度,结合谱线宽度可估计中心超大质量黑洞的质量。由于十分缺乏对谱线轮廓各个成分的物理解读,目前对黑洞质量估计的误差高达2至3倍。这项研究使科研工作者终于能够从谱线轮廓中可靠地分离出维里化成份,并可以结合偏振观测确定维里化成份气体盘的倾角。在消除各种不确定因素之后,黑洞质量精度有望达到20%左右。

  目前,王建民团队通过国际合作申请已获得VLT观测时间和偏振数据,近期可实现高精度测量黑洞质量。这一成果有望为该团队的后续课题——用超爱丁顿吸积的类星体测量早期宇宙膨胀历史——奠定可靠基础,并帮助揭示大质量黑洞与星系共同演化的细节。

  此项研究由高能所王建民、杜璞、胡晨、宋盛雨央、李彦荣和张志翔,Wyoming大学M.Brotherton以及南京大学施勇合作完成。本研究受到科技部“重点专项”、国家基金委和中国科学院的大力支持。

 

  左上图是典型的类星体光谱,这些宽发射线的宽度通常有数千公里每秒,远大于太阳系或者银河系旋臂上恒星的典型运动速度。具有如此高的速度意味着核区存在一个强大而致密的引力场,这个致密天体——超大质量黑洞的吸积过程释放了强大的辐射,电离了周围的气体并发出辐射形成宽发射线区。右上图显示了本研究模型的基本过程。下图显示出四个典型的类星体光谱中各成分的组成。


 
中国科学院高能物理研究所    备案序号:京ICP备05002790号    文保网安备案号:110402500050
地址:北京市918信箱    邮编:100049    电话:86-10-88235008    Email:ihep@ihep.ac.cn