背景介绍：
活动星系核（AGN）位于星系中心，其高光度、剧烈光变的电磁辐射覆盖了电磁频谱的各个波段。AGN由超大质量黑洞（SMBH）的吸积气体作为中心引擎，其能源释放效率是银河系的成千上万倍。AGN 的内部结构可以概括如下：中心为超大质量黑洞，向外分别是 X 射线冕（corona）、吸积盘（disk）、宽线区（BLR）、尘埃环。了解 AGN 内部结构对于理解超大质量黑洞吸积过程和质量增长历史研究至关重要。AGN 的内部结构尺寸与太阳系相当，其距离地球非常遥远。换而言之，绝大多数AGN难以用传统空间观测手段进行分辨。因此，科学家们转向了时域角度，希望通过时间相关性来揭示 AGN 的内部结构。现在很流行的一种时域研究法是反响映射（reverberation mapping）技术，通过测量不同波长下的光变曲线之间的时间延迟来解析 AGN 中央引擎的结构（图1）。
随着人们观测结果的增加，发现了“吸积盘尺度超标”问题，即观测得到的吸积盘尺寸比理论预测的吸积盘尺寸大。在之前的研究中发现测量的时间延迟同理论预测的比值与 AGN 光度之间存在反相关关系（Li et al. 2021）。这为解决“吸积盘尺度超标”问题提供了线索。对更多的 AGN 观测，测量吸积盘尺寸，可以检验上述反相关，更好地理解“吸积盘尺度超标”问题。
图1：AGN 结构结构和反响映射（reverberation mapping）原理图。选自 Kaspi 2018。
一个高度光变活动星系核
根据Catalina Sky Survey（CSS）和 Zwicky Transient Facility（ZTF）的观测，研究人员发现 活动星系核6dFGS gJ022550.0-060145存在幅度较大的光变，适合利用连续谱反响映射测量吸积盘尺寸。为此，研究人员在 2021 年 8 月 3 日到 2022 年 1 月 16日，使用广布于全球的Las Cumbres Observatory Global Telescope（LCOGT）对该目标源展开四个光学波段（ugri）密集监测，获得了高信噪比、密集采样的观测数据（如图2）。基于互相关分析方法，研究人员测量了g、r，i波段同u波段之间的时间延迟，结果分别为5.2（+3.3，-3.2）天、2.3（+3.0,-2.2）天，3.8（+2.5,-2.3）天。
图2：6dFGS gJ022550.0-060145 在u、g、 r， i 波段的 LCOGT 光变曲线。（来自原文图1）
吸积盘尺寸：观测与理论的较量
吸积盘的连续谱时间延迟可以根据黑洞吸积理论计算获得。为此，研究人员需要测量该超大质量黑洞的质量。因此，研究人员于2022 年 11 月20 日使用安装在中国科学院云南天文台丽江2.4 m 望远镜上的 Yunnan Faint Object Spectrograph and Camera（YFOSC）获得了6dFGS gJ022550.0-060145的高信噪比光谱（如图3所示）。光谱中宽发射线的宽度示踪宽线区云团的多普勒速度，连续谱光度可以估测宽线区和中心黑洞的距离。因此，研究人员利用发射线宽度和连续谱光度计算了中心黑洞的唯理化质量为一亿倍太阳质量，光度约为一万六千亿倍太阳光度。
图3：6dFGS-J0225的光谱分解结果。左侧和右侧子图分别是Hα和Hβ。深蓝色虚线曲线和红色实线曲线分别代表数据和最佳拟合模型。紫色和绿色曲线代表幂律连续谱和最佳拟合铁模板。浅蓝色虚线和黄色曲线分别对应窄和宽发射线。（来自原文图3）
研究人员利用黑洞质量和连续谱光度计算了理论预期的时间延迟与波长关系（如图4）。可以看出，观测值比理论预测大2.6（+1.2,-1.3）倍。考虑其误差范围，可以认为观测值与理论偏差较小。
图4：其他波段相对于u波段的时间延迟。黑色曲线显示了6dFGS gJ022550.0-060145的理论预测。红色实线曲线是最佳拟合关系；红色虚线曲线对应于1σ置信区间。（来自原文图5）
宽线区与尘埃环尺寸解析
尘埃环被吸积盘连续谱辐射加热，会产生红外辐射。因此，可以预期红外辐射会响应光学辐射的变化行为，二者的时间延迟可以探测尘埃环的尺寸。得益于该源较为显著的光学光变，研究人员利用广域红外线巡天探测卫星（WISE）探测到了该源的显著红外光变。研究人员再次使用 互相关分析来测量 WISE W 1（或 W 2）红外波段光变曲线相对于 光学光变曲线的时间延迟，结果分别为964（+268,-163）天，1182（+132,-102）天。换而言之，尘埃环中W1和W2的辐射区距离中心引擎的尺度为964（+268,-163）光天和1182（+132,-102）光天。该源也是SDSS-V black-hole mapper的监测目标，未来有望构建起宽发射线光变行为，进而测量宽线区位置。因此，该目标将是少有的同时具有中心吸积盘、宽发射线区和尘埃环结构测量的AGN，其结果有助深入理解AGN的主要结构。
图5：红外WISE W1和W2波段的光变曲线（中间两个子图）与光学光变（最上和最下两个子图）的对比。可以看出，红外光变相对光学光变存在显著的时间延迟。
研究论文
这一研究结果是本课题对活动星系核的光学时域研究系列工作的第七项工作。该工作以“A reverberation mapping study of a highly variable AGN 6dFGS gJ022550.0-060145”为题，被国际权威天体物理学术期刊《Astrophysical Journal》接收发表。论文第一作者为厦门大学天文学系硕士研究生李丹阳，通讯作者为孙谋远教授，合作者为厦门大学天文学系的王俊峰教授、武剑峰教授和张志翔博士。研究工作得到国家自然科学基金和福建省自然科学基金的支持。
论文预印本链接为：https://arxiv.org/abs/2401.12524
