《Nature Astronomy》: 中国科大首次给出超大质量黑洞驱动的高速气体的物理性质分布

发稿时间:2019-01-30浏览次数:14

中国科大物理学院天文学系王挺贵教授,刘桂琳教授课题组利用光谱吸收线光变首次得到大样本下活动星系中心超大质量黑洞驱动的高速气体的物理性质分布。该成果于伦敦时间1月28日下午4点发表在国际学术权威期刊《自然.天文学》上。
当今星系形成与演化理论认为星系中心活跃的超大质量(可超过10亿倍太阳质量)黑洞向外释放的巨大能量可以阻止星系过于庞大,有效地调节星系演化。这一机制被称为“活动星系核反馈”。活动星系中心超大质量黑洞吸积周围物质时形成围绕黑洞旋转的吸积盘。吸积盘产生的强烈电磁辐射(达10万亿倍太阳光度)可将大量的气体电离并吹向星际空间,形成高速(可达0.1倍光速)外流。外流气体将质量,角动量以及能量从星系核区携带至寄主星系中, 是连接星系核区和寄主星系的纽带,因而被认为是活动星系核反馈的主要形式之一。受目前观测能力所限, 科学界对活动星系外流的物理性质以及其对星系演化的具体影响了解甚少。
外流的尺度是理解外流起源以及衡量外流对星系环境影响的关键参数之一。当外流气体与星系中心辐射区在同一视线上时,外流在光谱上表现为蓝移的吸收线。近三十年来,仅有大约数十个活动星系外流的距离被密度依赖的离子激发态吸收线(如S iv*, Fe ii* 等)所测量。而这一传统方法只能适用于相对窄的没有自混合的吸收线, 对于典型的宽吸收线外流则束手无策。因而一直以来,对宽吸收线外流的研究进展甚缓。
 图1:利用吸收线光变探测率曲线推导外流电离气体复合时标分布。
 图2:利用光变的方法得到的斯隆数字巡天大样本中近1000个活动星系核外流的尺度,质量损失率,动力学光度等物理性质的分布。
王挺贵教授,刘桂琳教授课题组另辟蹊径,从吸收线光变的角度研究外流的性质。通过研究确定吸收线光变的主导机制为中心黑洞-吸积盘辐射区的流量变化。进一步发现外流电离气体对中心辐射区变化的响应关系可近似成一个标准的阶梯函数,因而吸收线光变的探测率曲线是电离气体复合时标分布的累积函数。由此,王挺贵教授小组首次提出利用吸收线光变探测率曲线推导外流电离气体复合时标分布的方法。利用这个方法,结合美国斯隆数字巡天发布的光谱数据,首次给出大样本中近1000个活动星系核外流的物理性质分布。研究结果显示:典型的外流到中心黑洞的距离为数十光年量级;外流的质量损失率为每年数十个太阳质量(数倍个黑洞吸积率,也即黑洞吹散的物质比吸积的物质还要多);外流的动力学光度接近活动星系核热光度的百分之十。外流的质量损失率和动力学光度的典型值表明外流具有足够的能量影响星系的演化。对于利用光变的方法限定外流的物理性质以及外流与星系介质具体作用过程还在深入研究中。
论文的第一作者兼通讯作者为中国科大物理学院特任副研究员何志成博士。王挺贵教授和刘桂琳教授为论文的共同通讯作者。其它主要合作者包括我系王慧元教授,南京师范大学卞维豪教授,武汉大学天体物理中心牟国斌研究员,以及国家天文台许优华博士等。本项研究得到国家自然科学基金、中国科学院,中组部青年千人计划以及国家留学基金委的资助。