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厦门大学天文学系在活动星系核的“尺度超标”课题研究取得进展

众多周知,活动星系核(AGN)由超大质量黑洞(SMBH)的吸积盘提供能量。超大质量黑洞吸积盘涉及的空间尺度太小,而这些黑洞离我们的距离又太过遥远,现有的空间和地面望远镜基本上无法直接从空间上分辨超大质量黑洞吸积盘的物理尺度。然而,可以通过时域的方法,基于测量连续谱不同波段间的时间延迟(continuum RM)来得到黑洞吸积物理尺度的大小。对吸积盘的大小以及结构的研究有助于理解超大质量黑洞的“天气”(即吸积气体的分布和物理状态)以及这些巨型黑洞在宇宙学时间上的质量增长历史。

目前,对于AGN吸积盘时间延迟的测量出现了不同的观点,有一部分研究(例如,Fausnaugh et al. 2016)发现观测的时间延迟大于传统的X-ray再辐射标准吸积盘模型(SSD)理论预期的两到三倍,而另一部分(例如Yu et al. 2020)观测表明时间延迟的测量值和理论模型是相一致的。上述观测矛盾的存在表明我们对超大质量黑洞的吸积物理缺乏完整的理解。为此,在这篇文章中,我们第一次展示了测量的时间延迟与SSD模型的预期值之比与AGN的光度呈现反相关的关系(见图1)。这一结果与传统的X-ray再辐射标准吸积盘模型的预言截然不同。


1. 测量的时间延迟与SSD模型的预期值之比与AGN的光度呈现反相关的关系,与经典的X-ray再辐射模型不兼容。

我们的研究结果表明传统的X-ray再辐射标准吸积盘模型存在根本性的缺陷。我们的结果也可以用于为构建更完整的黑洞“天气”(即吸积物理)提供线索。例如,一种流行的模型认为AGN的部分紫外/光学连续谱辐射或许产生于更延展的宽发射线区云团。如若如此,我们的结果预示着宽发射线区云团产生连续谱的能力与光度成反比,即宽线区云团的连续谱辐射也应该遵循所谓Baldwin effect。这一预言可以与现有宽线区云团模型进行直接比较。另一种模型是我们于2020年提出的AGN最内区热冕(类似太阳日冕,但更强和更高温)与外区吸积气体的磁耦合模型。我们之前的研究表明这一磁耦合模型可以为理解AGN的亮度变化随时间、光度、黑洞质量和波长等物理量变化提供一个新的物理框架(Sun et al. 2020a, 2020b)。我们之前对磁耦合模型的研究还预言了观测时间延迟与标准吸积盘模型的偏离与光度呈反比,与时标成正比。我们现有的研究结果(1)与预言结果完全符合,表明磁耦合模型可以用于描述超大质量黑洞周围“天气”。

为了进一步检验上述结果,我们还利用中国Telescope Access Program申请了LCOGT全球望远镜阵列110小时观测时间来对数个高光度AGN进行多波段观测,测量其时间延迟,并检查其测量结果与图1的反相关趋势是否吻合。未来,国际大型时域巡天项目LSST将对大量AGN做上述测量,可以直接检验我们的研究结果。

该研究工作已被国际主流天文学术期刊The Astrophysical Journal Letters接收。该工作得到了中国国家自然科学基金(NSFC)、美国国家科学基金会(NSF)及 美国国家宇航局(NASA)基金的支持。

该工作的第一和第三作者分别为厦门大学天文学系硕士研究生黎婷和博士研究生许啸宇,通讯作者为孙谋远副教授。此外,参与该项工作的还有厦门大学天文学系(顾为民教授、刘彤教授、王俊峰教授、张志翔博士和李海坤工程师)、中国科学技术大学(薛永泉教授、王俊贤教授和蔡振翼副教授)、美国宾夕法尼亚州立大学(W.N. Brandt教授)、美国康涅狄克大学(J.R. Trump教授和Y. Homayouni博士)、美国俄亥俄州立大学(Zhefu Yu)的多位合作者。

论文链接:https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/abf9aa



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