【蔻享科讯】在类星体中发现供给超大质量黑洞吸积盘的快速内流气体

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背景介绍

类星体是一类光度极高的河外天体，能在星系中心很小的空间范围内产生超过星系所有恒星总合的大量辐射。普遍接受的解释是，在大质量星系的中心都存在超大质量黑洞（≥10⁶倍太阳质量），当有星际物质持续地被黑洞吸引落入视界内（吸积）时，引力势能的一部分会以辐射的形式释放出来。首先由于吸积的速率不同，其次由于观察的视线方向不同，这种辐射会表现出不同的观测特征。类星体对应于黑洞吸积率较高的活动状态。在这样的吸积率下，气体在黑洞周围会形成一个产生极强连续谱辐射的盘状结构--吸积盘、包围吸积盘的产生宽的气体发射线的宽发射线区、环绕吸积盘和宽发射线区的富含尘埃颗粒的尘埃环，以及更远处产生窄的气体发射线的窄发射线区。

超大质量黑洞的活动与其所在的宿主星系的演化是密切相关的。在目前主流的星系演化模型中，大质量星系主要通过并合的方式增长。当两个星系并合时，大量星际气体受到扰动爆发式地形成恒星，同时相当多的气体会进入星系中心，被超大质量黑洞的引力场俘获吸积，触发黑洞进入活动状态。通过气体落入视界以内黑洞的质量持续增长，同时一部分气体会外流回到宿主星系，其携带的动量/能量会吹散/加热星际介质，抑制恒星进一步形成。随着外部气体被吹除，黑洞的吸积过程也逐渐停止，重新回到不活动的状态。正是这一反馈机制调节着宿主星系和中心黑洞的生长，导致了观测到的宿主星系和中心黑洞性质的高度相关性。

被黑洞吸积的气体释放的引力能是活动星系的核心在各个波段的辐射能量以及外流物质携带的动能的来源。在近邻星系中已经观测到星系尺度上气体向中心的流动。但在尘埃环和吸积盘之间的黑洞近邻空间尺度上（≤几个光年），一直没有找到内流的吸积气体存在和供给吸积盘的直接证据，成为黑洞吸积过程研究中缺失的一环。

由中国极地研究中心周宏岩研究员领衔的研究团队（合作单位包括中国科学技术大学、中国科学院国家天文台、中国科学院上海天文台、美国佛罗里达大学、中国科学院云南天文台、安徽师范大学等）在距离地球120亿光年的类星体J103516.20+142200.6（以下简称J1035+1422）中利用H原子和He原子等产生的吸收线追踪到正在汇入超大质量黑洞吸积盘的内流气体。该黑洞质量达到太阳的百亿倍，每年吸积的气体相当于十多个太阳。此次探测到的气体距离黑洞约3.5光年，正是以往研究黑洞吸积气体过程中缺失的环节，为黑洞增长的理论提供了有力的证据，并为研究气体内流的过程提供了丰富的信息。该成果已于9月4日在国际学术刊物《自然》发表。周宏岩为第一作者和通讯作者，袁为民、王挺贵为共同通讯作者。

研究方法

研究星际介质中气体的途径有发射线和吸收线。两者都来自于原子/离子/分子在能级之间的跃迁。发射线可以从各个方向上被探测到，吸收线则只有在气体挡在观测者到背景光源的视线上时才能被探测到。因此，对于类星体这样视直径小于观测角分辨率因而呈现为点源的目标，发射线反映的是整个区域内所有气体产生的发射的总合，而吸收线反映的是朝向最中心吸积盘的单条视线方向上的局部气体。前者只有在对气体的空间和速度分布有预先的了解或假设的前提下才能把不同部分的气体对发射线整体的贡献分解开。后者则能够直接探测到视线方向上局部气体的运动学和物理状态。如果吸收线在相对类星体静止的参照系中是红移的，那么产生吸收线的气体就是在向中心黑洞运动（内流）。因此红移吸收线是直接探测吸积内流的有力工具。
为了产生观测到的类星体的辐射光度，需要大量的气体被吸积。对于由10⁹倍太阳质量的超大质量黑洞驱动的典型类星体（光度为太阳光度的10¹²倍以上），吸积的气体要达到每年几到十几个太阳质量。沿着穿过内流的视线，气体的厚度将非常巨大。在内流气体朝向类星体中心辐射源的一面，由于大量高能光子的照射，原子会被电离到很高的价态。随着辐射深入到气体内部，高能光子逐渐被消耗，气体的电离程度也逐渐降低。到了背对辐射源的一侧，高能光子几乎消耗殆尽，气体也将以一次电离的Mg⁺、Fe⁺等离子以及中性的原子为主。因此要探测足以供给中心黑洞的厚内流气体，低电离度离子（Mg⁺、Fe⁺等）和中心原子（如H⁰）的吸收线比高电离度离子（如C³⁺、Si³⁺）的吸收线更为重要。

研究发现

类星体吸积盘内流降轨机制示意图。（图片由课题组提供）J1035+1422是一个发射线红移为1.25的类星体，中心黑洞的质量估计为太阳的2×10¹⁰倍，热光度达到7.4×10⁴⁶尔格/秒，因此需要每年吸积约13个太阳质量的物质。

在J1035+1422的光谱中我们发现了H原子Balmer线系（电子从n=2壳层的向上跃迁Hα、Hβ、Hγ、Hδ……）、He原子的亚稳态吸收（电子从自旋平行态的最低能级2³S的向上跃迁λλ3188,3889,10830）、C³⁺离子共振跃迁λλ1548,1550、Mg⁺离子共振跃迁λλ2796,2803、Al²⁺离子共振跃迁λλ1854,1862以及Fe⁺离子基态和激发态跃迁的红移吸收线。红移吸收线相对类星体静止参照系的内流速度从0延伸到5000公里/秒，是已发现的红移吸收线中红移速度最高、速度梯度最大的。只有在黑洞附近的强引力场中气体才能有这样大的速度梯度。
利用光致电离数值模拟我们得到内流气体的密度为每立方厘米1.6×10⁷个H原子或H⁺离子、厚度达到1.8×10¹⁶厘米、距离中心辐射源3.5光年（合1100个引力半径R_G，R_G=GM_BH/c²）时，中心辐射的致电离光子流量才会减弱到能产生测量到的H原子、He原子、Mg⁺离子和Fe⁺离子吸收线的强度。
根据吸积盘的标准薄盘模型，1100个引力半径大约与薄盘维持引力稳定的最大半径重合。因此在J1035+1422中探测到的内流气体正在汇入吸积盘。此外，根据模拟的结果，在这个距离上内流气体受到中心辐射源的辐射压力仅为受到中心黑洞引力的1-2%。如果内流气体一直是在接近自由落体的条件下下落，那么它下落的起点（速度为零处）距离中心黑洞4.9光年，接近尘埃环的内表面。因此我们推测由富含尘埃的气体组成的尘埃环很可能是近邻吸积流的直接来源。
值得注意的是，数值模拟预言的内流气体朝向中心辐射源一侧的高电离区中C³⁺离子的总量比我们在红移的C³⁺离子共振跃迁λλ1548，1550吸收线中测量到的高3个量级以上。只有当照射内流气体的辐射原来就缺少高能光子的情况下才会出现这样的现象。而这可能是由于有位于中心辐射源和内流气体之间的其它星际介质成分吸收了这些高能光子。在J1035+1422的光谱中我们探测到一组相对类星体静止参照系蓝移的吸收线，离开中心黑洞的速度最高达到3000公里/秒。这类吸收线由前述对宿主星系起反馈作用的外流气体产生，在超过20%的类星体中都能探测到。与红移吸收线中低电离度离子和中性原子吸收线最强相反，蓝移吸收线中C³⁺离子吸收线最强，Mg⁺、Al²⁺和He原子吸收线较弱，而H原子Balmer吸收线完全探测不到，显示外流气体比内流气体电离度更高、离中心黑洞更近，吸收了大部分高能光子。外流气体的遮蔽作用与内流气体下落过程的关联有待进一步研究。

研究讨论

假设内流气体的分布是轴对称的，在J1035+1422中内流物质的速率为每年15-36个太阳质量，足以解释中心辐射的总能量以及外流气体的质量来源。因此我们认为在J1035+1422中探测到的内流气体就是吸积盘物质的直接来源。这个发现填补了星系中心超大质量黑洞吸积过程长久以来缺失的一环。

由于内流供给类星体辐射所需的能量，它应该存在于所有类星体中。如果内流起源于尘埃环的内表面，由于尘埃环覆盖黑洞周围天空的30-60%左右，应该有较大几率被观测视线穿过形成吸收线。但观测中发现的类星体红移吸收线的例子非常稀少。在斯隆数字巡天（SDSS）发布的约10⁵个发射线红移小于1.3的类星体中，我们找到约50个在光学波段有显著H原子和He原子吸收线的类星体，其中只有1/4的源吸收线相对于类星体静止参照系是红移的。造成这样稀少的原因，很可能是因为穿过内流的视线基本上同时穿过尘埃环，极大几率会被尘埃严重消光。而观测到的类星体视线偏向于不穿过尘埃环，因此穿过内流气体的几率极低。像J1034+1422这样的源可能是视线恰好穿过了尘埃环边缘云团密度较低处的空隙，才使得我们有机会一窥吸积内流的真面目。

个人简介

周宏岩，中国极地研究中心研究员，中国科学技术大学教授、博士生导师。2003年获中国科学技术大学理学博士学位。2003-2005年中国科学技术大学讲师、副教授；2006-2007年美国Florida大学天文系访问教授，2007－2009年德国马普地外物理所洪堡学者；2009年至今中国科学技术大学教授，2011年至今中国极地研究中心研究员，负责筹建南极天文学研究室，组织参加了2012/2013年度第29次南极天文内陆科考。承担国家自然科学基金项目“SDSS 类星体2175 埃吸收系统样本研究”、“几类特殊活动星系核的多波段观测与理论研究——探索黑洞与吸积”、“星系中心黑洞增长的特殊阶段”、“窄线赛佛特1型星系与活动星系核统一模型”等，973项目“利用南极巡天望远镜在超新星宇宙学及太阳系外行星方面的前沿研究”中的“星系、类星体与黑洞”课题，以及南北极环境综合考察与评估项目天文子课题。研究领域主要包括黑洞物理、星系天文学以及太阳系外行星。在国际刊物发表学术论文100余篇，被国际同行引用3000余次。代表性研究成果主要包括：发现黑洞引力辐射反冲第一个观测证据；首先提出可利用光学光谱和红外光变探测黑洞潮汐力瓦解吸积恒星；提出了确定类星体外流方向的新思想，首次发现部分宽吸收线类星体中存在极向外流和高速内流等。

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文章作者

史习珩，2011年毕业于中科院上海天文台，获理学博士学位。2011-2014年为中国科学技术大学天文学系博士后，2014-2016年为中科院国家天文台和中国极地研究中心联合培养博士后。现为中国极地研究中心助理研究员。研究领域主要为活动星系核。

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