【Science Advances】首次发现星系中心高速外流在百光年尺度上的加速现象

中国科学技术大学天文学系王挺贵教授与刘桂琳教授团队特任副研究员何志成博士创建了一套全新的测量星系电离气体物理性质的方法，首次发现活动星系中心高速外流在百光年尺度上的加速现象，该尺度超出经典的黑洞-吸积盘风尺度达两个数量级以上。该成果以“Evidence for quasar fast outflows being accelerated at the scale of tens of parsecs”为题，于2022年2月12日在线发表于国际知名学术期刊《科学进展》（Science Advances）上。

当今星系形成与演化理论认为，星系中心活跃的巨型黑洞（可超过10亿倍太阳质量）所释放的巨大能量会有效调节星系演化，阻止星系生长得过于庞大，被称作“活动星系核反馈”机制。活动星系中心黑洞吸积周边物质时形成旋转的吸积盘（如图1），将大量的气体电离并吹向星际空间，形成高速外流（可达光速十分之一）。外流气体将物质和能量从星系核区携带至寄主星系中,是活动星系核反馈的主要形式之一。然而，人们对活动星系外流的物理属性、起源、加速机制及其对星系演化的具体影响仍然知之甚少。

外流的尺度是理解外流起源及衡量外流对星系环境影响的核心参数之一，但鉴于探测外流最重要的手段是光谱吸收线，外流尺度只能间接推算，模型依赖性强，且结果不够可靠。学界普遍认为通过对密度敏感的离子激发态吸收线来推算相对可靠，但由于技术复杂、结果不确定，而且只能用于没有自混合的较窄吸收线，导致近三十年来人们用这一传统方法仅推算出数十个活动星系的外流尺度，并且在尺度的数量级上存在争议，致使该领域针对宽吸收线高速外流的研究长期以来一直进展缓慢。

在此前的工作中，何志成博士另起炉灶，从吸收线光变的新视角提出测量外流物理参数的新手段，并利用斯隆大样本巡天数据，发现大部分高速外流尺度在数十光年以上，并且能量足以影响星系的整体演化。但这项于2019年发表在《自然·天文学》上的工作仅限于利用气体电离状态对中心辐射响应可近似为阶梯函数的基本性质，也没有对不同速度成分的外流进行分解，所以并未得到外流的运动学信息。

为弥补这些缺陷，历经数年努力，何志成又开发出一种同时利用响应函数的幅度和相位信息的新方法，成功获得了类星体外流的运动学信息，首次发现高速外流在百光年尺度上的加速现象（图2），这一尺度超出经典的黑洞-吸积盘风（见图3）尺度达100倍以上。

国际上，用于解释类星体宽吸收线的黑洞吸积盘风模型（图3）自1995年提出后，已逐渐被该领域学者所接受。在这一理论模型中，剧烈的吸积盘紫外辐射驱动气体在距离黑洞数百个史瓦西半径处开始加速，并在吸积盘尺度上很快达到光速的1/10。对于典型的10亿倍太阳质量的巨型黑洞来说，吸积盘风的加速尺度大致为0.1至1光年。上述黑洞-吸积盘风模型如果正确，在年量级的时标上，光谱吸收线轮廓应有显著的漂移现象，但在实际观测中，吸收坑的漂移现象非常罕见，这一矛盾暗示着宽吸收线外流的起源可能比盘风的尺度要大得多。此次工作发现加速现象发生在百光年尺度上，超过盘风尺度至少100倍，意味着类星体宽吸收线可能确实并非由黑洞吸积盘风主导，或者退一步讲，至少说明黑洞吸积盘风并不是高速宽吸收线外流机制的唯一选项。

接下来的问题是，这些高速外流起源何方？它们的加速机制又是什么？何志成等人猜想，星际尘埃极有可能在外流加速过程中扮演着重要角色，因为尘埃与黑洞吸积盘紫外辐射的作用截面远远大于自由电子的汤姆孙散射截面，因而含尘埃的气体更容易被吸积盘辐射加速。进一步的分析也印证了这一猜想：他们计算发现，在黑洞吸积盘辐射与尘埃的相互作用模型中，加速外流气体所需的尘埃含量与观测上的尘埃消光在一个标准差内完全一致。他们按图索骥，通过数据分析推算出外流的起源尺度，发现该尺度超过了尘埃的升华半径，与尘埃环的尺度相吻合，有力地支持类星体高速宽吸收线外流的尘埃环起源。这一发现表明，尘埃在吸积盘辐射与星际介质之间的耦合方面发挥着关键作用（可与此前一些理论工作者的数值模拟结果相印证），使得外流对寄主星系中的恒星形成活动产生显著影响。与这一工作互为表里，何志成与合作者近期发现了外流抑制星系中恒星形成活动的观测证据（2022年1月发表于《自然·天文学》）。

值得强调的是，中国科大天文系何志成等人建立的测量星系电离气体密度的全新方法克服了传统方法受到气体速度弥散限制的缺点。在当今时域天文日新月异、重复观测数据大量积累的时代，该研究团队将致力于在目前初试锋芒应用于单目标和小样本的基础上，充分开掘这一套新方法的潜力，将其发展成为测量电离气体密度的通用方法。

论文的第一兼通讯作者为中国科大特任副研究员何志成。中国科大天文系刘桂琳教授、王挺贵教授和武汉大学牟国斌研究员为共同通讯作者。本项研究得到国家自然科学基金、中国巡天空间望远镜项目、中科大重要方向项目培育基金、中科大青年创新重点基金等资助。