研究背景：窥探遥远星系的中心结构

许多星系的中心都存在着一个活跃的超大质量黑洞，它以其强大引力作用猛烈吞噬周围物质，并发出耀眼的光芒。这些星系中心的区域被称为活动星系核。活动星系核的结构复杂：最中心的是超大质量黑洞；黑洞周围是因其引力作用而产生的气态吸积盘，也是活动星系核发出的耀眼光芒的主要来源区域；再往外是受黑洞引力而高速运动、并被吸积盘高能辐射照亮的气体云（宽线区）；更远处还有尘埃环、窄线区等。

由于这些星系距离我们非常遥远，且核心区域极其微小，想直接用望远镜“看清”这些内部结构非常困难。活动星系核特殊的结构和性质提供了一种巧妙的间接测量方法，即反响映射技术（类似于听回声测距离）。其原理很简单：当吸积盘内区的物理状态发生变化时，不仅会影响短波的辐射强度，这个变化的信号也会向外传播。变化信号传播至吸积盘外围区域时，外围区域相对低能的辐射（紫外/光学辐射）会响应这个变化信号，但会延迟一段时间。同样，当变化的电离辐射传播至宽线区时，气体产生的特定发射线（如Hβ等）也会延迟响应。这种方法已成为测量活动星系核结构的强大工具。测量来自吸积盘的不同连续谱辐射之间或连续谱和发射线之间变化的时间差（时间延迟），就能推算出吸积盘不同辐射区域的大小，或宽线区距离黑洞有多远。

图1：反响映射示意图（左）及NGC 4151时间延迟测量值（右）。图取自Zhou et al. 2025。

反响映射技术已被广泛应用于黑洞天体物理研究。宽线区气体云的运动状态与中心黑洞质量密切相关，因此，利用气体云的时间延迟和运动速度，便可以估算中心超大质量黑洞的质量。此外，结合地面大型望远镜（如甚大望远镜干涉仪搭载的 GRAVITY）测得的宽线区的“视觉大小”（角尺度），和反响映射测得的线性尺度，就能像三角测距一样，算出星系到我们的距离（视差距离）。这为测量宇宙膨胀速度提供了新途径。王等人[1]首次将该方法应用于人类发现的第一个类星体3C 273，并取得了开创性成果。

丽江2.4米望远镜揭示：“索伦之眼”高光度态下连续谱时延激增

研究人员聚焦于邻近的活动星系核 NGC 4151（外号“索伦之眼”），它的光度随时间发生剧烈变化。利用云南丽江2.4米望远镜，研究人员在2023年该活动星系核处于高光度状态时，对其进行了高精度、高频次的光谱监测，并进行连续谱时延的测量。这是天文学家首次利用地面望远镜光谱观测实现连续谱时延的测量。

与2016年低光度状态的测量[2]相比，高光度状态光度增大3.27倍，连续谱时延变化增大近4倍。也就是说，当该活动星系核变得更亮时，其吸积盘不同区域辐射信号传播所需的时间显著延长了。此外，高光度状态的连续谱时延是理论预期的近15倍，是目前已知连续谱时延与理论预测偏差最大的赛弗特星系。连续谱时延的变化为研究活动星系核光变的物理机制提供了新的角度，表明连续谱辐射区域的物理状态可以在数年内发生非常明显的变化。

图2：NGC 4151不同流量态的时间延迟测量值。图取自Zhou et al. 2025。

关键影响：忽略连续谱时延，黑洞质量将失准

研究人员同时测量了来自宽线区的发射线（Hβ）响应来自吸积盘的光学连续谱（5100 Å）变化的延迟时间[3]，这是测量宽线区时间延迟普遍采用的方法。结果发现，吸积盘紫外连续谱与光学连续谱的延迟时间本身，就达到了宽线区响应光学连续谱延迟时间的65%！这意味着，如果忽略吸积盘连续谱的时间延迟，会严重低估宽线区离中心黑洞的真实距离，低估幅度可达近一半。

精确测量宽线区到黑洞的距离，是利用反响映射计算黑洞质量的关键一步。本研究表明，忽略吸积盘连续谱的时间延迟，会导致这个宽线区距离测量出现系统性偏差，进而影响黑洞质量结果的准确性。修正这个延迟后（见图3），不同发射线测得的黑洞质量变得一致。

图3：连续谱时延对黑洞质量的修正。当不修正连续谱时延时（蓝色点），HeII发射线得到的黑洞质量远低于其他宽发射线。考虑连续谱时延的影响后（红色点），不同发射线给出基本一致的黑洞质量。图取自Zhou et al. 2025。

进行前述基于宽线区结构测量星系距离时，反响映射测得的宽线区线性尺度是关键输入。因此，吸积盘连续谱时间延迟的不确定性及其随光度状态剧烈波动的可能性，为这种基于宽线区结构测量星系距离的方法带来了潜在的系统性误差。

总而言之，NGC 4151展现的剧烈且前所未见的连续谱时延变化，不仅挑战了现有理论对吸积盘光变行为的描述，更对精确测量黑洞质量和利用活动星系核的宽线区结构测量星系距离提出了系统误差来源，凸显了持续监测其动态演化的重要性。

研究论文

该研究工作以“Unprecedented Continuum Time Delay Variation Phenomenon in an Active Supermassive Black Hole”为题发表在国际天体物理学术期刊 Astrophysical Journal。论文的第一作者为厦门大学天文学系博士研究生周淑英，共同通讯作者为厦门大学天文学系孙谋远教授、中国科学院云南天文台封海成博士和李莎莎博士，其他合作者包括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，中国科学院云南天文台白金明研究员、刘洪涛研究员、卢开兴副研究员、毛基荣研究员和王建国副研究员，中国科学院上海天文台郭恒潇副研究员，韦恩州立大学物理与天文学系Marcin Marculewicz博士（原厦门大学天文学系博士后），昆明师范专科学校附属中学李丹阳（原厦门大学天文学系硕士研究生）。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和福建省自然科学基金的支持。

论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/add468

本推文相关参考文献：

[1] Wang, J.-M., Songsheng, Y.-Y., Li, Y.-R., Du, P., & Zhang, Z.-X. 2020, NatAs,4,517

[2] Edelson,R.,Gelbord,J.,Cackett,E.,etal.2017,ApJ,840,41

[3] Feng,H.-C.,Li,S.-S.,Bai,J.M.,etal.2024,ApJ,976,176