黑洞中微子主导吸积流的外流核合成对活动星系核化学演化的贡献-厦门大学天文学系

科学研究

黑洞中微子主导吸积流的外流核合成对活动星系核化学演化的贡献

高红移明亮的活动星系核（AGN），即类星体，一般具有高亮度金属发射线，这为研究早期宇宙的化学演化提供了探针。对类星体的观测显示，多数宽线区（BLR）的金属丰度是远超太阳金属丰度且几乎不随红移演化，这表明在宇宙第一个Gyr是快速的恒星形成演化和金属累积的时期。一般认为，BLR气体来源于AGN吸积盘持续提供的热扩散气体，因此AGN盘中的金属丰度可能决定了BLR中的金属丰度。AGN中形成的恒星因发生超新星（SN）爆炸而向外抛洒金属并在其中心留下一些恒星级残余物。作为塌缩星（≥25 M_⊙）中心残余物的中微子主导吸积流（NDAF），其外流中的自由核子也会参与核合成从而向周围环境注入金属元素。

我们模拟了高红移类星体的化学演化。在传统的核心坍缩超新星（CCSN）的基础上增加了一个新的成分，即含外流的NDAF。其可能为化学演化提供重要贡献，原因在于：（1）如果前身星质量在25-55 M_⊙之间，在考虑NDAF外流核合成贡献的情况下，总的金属产量（即CCSN和NDAF的贡献总和）几乎不依赖于前身星的质量；（2）AGN盘内，仅有大质量恒星能够在1Gyr内发生CCSN爆发并形成黑洞NDAF系统，产生各类金属元素。

在考虑三种典型的初始质量函数（IMF）下，我们采用一个改进的open-box模型来为高红移类星体的化学演化过程建模。我们发现，由于含外流NDAF的额外核合成贡献，类星体的金属在宇宙早期（z∼10）可以更迅速地富集，并在z∼8时达到更高的饱和值，其后不再随着红移演化。在Toyouchi et al.（2022）的 top-heavy IMF下，类星体的金属丰度在红移z∼8时可以达到20 Z_⊙（Z_⊙表示太阳的金属丰度），这很好的解释了关于超太阳金属丰度和不随红移演化的类星体观测（见图1）。需要说明的是，AGN盘内IMF仍然未知，但非常容易推测，大质量恒星越多则BLR金属丰度越高，其中NDAF的贡献越显著。

该论文以“Nucleosynthesis Contribution of Neutrino-dominated Accretion Flows to the Chemical Evolution of Active Galactic Nuclei”为题，已被ApJ接受发表。作者包括厦门大学天文学系博士生齐艳青、刘彤教授、孙谋远副教授和中国科学技术大学天文学系蔡振翼副教授。此工作得到了国家自然科学基金和中国空间站项目资助。

论文链接：https://arxiv.org/abs/2206.08613