红外回响揭示活动星系核中潮汐撕裂恒星事件极高爆发能量

中国科学技术大学天文学系蒋凝等人通过对活动星系核中黑洞潮汐撕裂恒星事件PS16dtm尘埃红外回响的分析发现，这个事件的爆发能量极高，远超传统方法的测量，对于理解TDE物理过程提供了重要启示。相关成果于2025年2月10日以“The Extraordinary Long-Lasting Infrared Echo of PS16dtm Reveals an Extremely Energetic Nuclear Outburst”为题发表在国际天文期刊《The Astrophysical Journal Letters》上。文章被期刊编辑推荐，近日由美国天文学会刊物研究亮点网站（AAS Nova）以“Echoes of a Tidal Disruption Event（一个TDE的回响）”为题作为亮点专文报导，称“如此多的能量在红外波段辐射，可能为解决能量缺失谜题提供了线索”。

 黑洞潮汐撕裂恒星事件（Tidal Disruption Event, TDE）是指一颗恒星偶然运动到非常靠近星系中心的大质量黑洞时，被黑洞潮汐力撕裂并吸积，产生月到年时标多波段的电磁耀发（见图1艺术想象图）。当黑洞周边存在尘埃时，TDE的辐射会被吸收再辐射，产生延迟的红外回响，这类信号正是由蒋凝等人在2016年基于美国广域红外巡天探测器（WISE）的存档数据首次探测到，就此打开了TDE研究的红外波段窗口。2017年，他们同样利用WISE数据对一例活动星系核（AGN）中TDE候选体PS16dtm的早期红外回响开展了研究，发现了尘埃升华的强烈证据。有意思的是，PS16dtm的红外光度继2017年跃升到较高态后，一直保持缓慢上升，但尘埃温度基本稳定。WISE卫星已经于2024年7月底结束了巡天项目，截至最后一次观测（项目结束前10天），红外亮度仍未呈现明显下降趋势，尽管此时的光学亮度已经衰微（见图2）。

基于PS16dtm独特的红外光变曲线，以及WISE业已退役的现实，此项工作构建了考虑尘埃升华过程的红外回响模型，完美解释了截至2024年7月的红外光变行为，并对后续演化做出了预言（见图3）。模型要求尘埃分布的内半径从3.6光年升华到5.2光年，明显超过了一般认为的AGN尘埃环内半径。更有意思的是，距离黑洞如此之远的尘埃被加热到对应温度，要求中心爆发的光度和能量极高。对于典型的0.1微米大小的硅酸盐颗粒，峰值光度达到6×1046erg/s，比传统光学黑体估计值高了几十倍。TDE领域目前存在一个“能量缺失”的谜题，即观测到的总能量比理论预期值低了1-2个量级，其中一个解决思路认为缺失的能量其实在不可直接观测的极紫外波段。本工作通过红外回响给出了支持这一观点的强力证据。另一方面，发生在AGN中的TDE，恒星残骸不可避免与吸积盘或者宽线区气体碰撞，圆化效率和能量输出相比普通TDE可能会被大大提高，这些都为进一步理解TDE的物理过程提供了重要线索。

虽然WISE卫星已经结束了历史使命，未来的近地天体探测器（NEO Surveyor）等红外巡天可以继续追踪PS16dtm红外光度的演化。另一方面，詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）的红外光谱有能力一定程度给出尘埃组分和颗粒大小的信息。这些未来潜在的观测都有望更好的限制红外回响模型以及爆发能量。另外值得一提的是，被PS16dtm以及类似事件照亮的巨大尘埃环结构有可能被诸如升级后的GRAVITY等近红外干涉设备直接分辨，从而开启红外回响和直接成像联合研究的新时代。

论文第一作者和通讯作者为天文学系蒋凝副研究员，合作者还有本科生罗迪、研究生朱家政和美国加州理工学院红外处理分析中心的Roc Cutri博士。该项研究得到科技部、基金委、中科院、中国载人航天工程、唐仲英基金会等资助。