新安晚報 安徽網 大皖新聞訊   記者從中國科學技術大學獲悉，該校天文學系王挺貴教授與劉桂琳教授團隊特任副研究員何志成博士創(chuàng)建了一套全新的測量星系電離氣體物理性質的方法，首次發(fā)現活動星系中心高速外流在百光年尺度上的加速現象，該尺度超出經典的黑洞-吸積盤風尺度達兩個數量級以上。該成果于2022年2月12日在線發(fā)表于國際知名學術期刊《科學進展》（Science Advances）上。

當今星系形成與演化理論認為，星系中心活躍的巨型黑洞（可超過10億倍太陽質量）所釋放的巨大能量會有效調節(jié)星系演化，阻止星系生長得過于龐大，被稱作“活動星系核反饋”機制?；顒有窍抵行暮诙次e周邊物質時形成旋轉的吸積盤（如圖1），將大量的氣體電離并吹向星際空間，形成高速外流（可達光速十分之一）。外流氣體將物質和能量從星系核區(qū)攜帶至寄主星系中，是活動星系核反饋的主要形式之一。然而，人們對活動星系外流的物理屬性、起源、加速機制及其對星系演化的具體影響仍然知之甚少。

圖1 活動星系中心引擎：活躍的巨型黑洞吸積周邊物質，形成旋轉的吸積盤，產生的強烈電磁輻射可超過其所在星系恒星光度總和的千倍以上，對星系整體演化產生重要影響（圖片來源：NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva）。

外流的尺度是理解外流起源及衡量外流對星系環(huán)境影響的核心參數之一，但鑒于探測外流最重要的手段是光譜吸收線，外流尺度只能間接推算，模型依賴性強，且結果不夠可靠。學界普遍認為通過對密度敏感的離子激發(fā)態(tài)吸收線來推算相對可靠，但由于技術復雜、結果不確定，而且只能用于沒有自混合的較窄吸收線，導致近三十年來人們用這一傳統(tǒng)方法僅推算出數十個活動星系的外流尺度，并且在尺度的數量級上存在爭議，致使該領域針對寬吸收線高速外流的研究長期以來一直進展緩慢。

圖2 首次發(fā)現活動星系中心高速外流在百光年尺度上的加速現象，超出經典黑洞-吸積盤風(見圖3)的尺度至少兩個量級。測量結果與塵埃環(huán)起源的塵埃加速模型高度吻合。

圖3 活動星系中心高速外流的兩種可能起源位置：黑洞吸積盤和塵埃環(huán)。二者所在的尺度相差至少兩個量級。

在此前的工作中，何志成博士另起爐灶，從吸收線光變的新視角提出測量外流物理參數的新手段，并利用斯隆大樣本巡天數據，發(fā)現大部分高速外流尺度在數十光年以上，并且能量足以影響星系的整體演化。但這項于2019年發(fā)表在《自然·天文學》上的工作僅限于利用氣體電離狀態(tài)對中心輻射響應可近似為階梯函數的基本性質，也沒有對不同速度成分的外流進行分解，所以并未得到外流的運動學信息。

為彌補這些缺陷，歷經數年努力，何志成又開發(fā)出一種同時利用響應函數的幅度和相位信息的新方法，成功獲得了類星體外流的運動學信息，首次發(fā)現高速外流在百光年尺度上的加速現象（圖2），這一尺度超出經典的黑洞-吸積盤風（見圖3）尺度達100倍以上。

國際上，用于解釋類星體寬吸收線的黑洞吸積盤風模型（圖3）自1995年提出后，已逐漸被該領域學者所接受。在這一理論模型中，劇烈的吸積盤紫外輻射驅動氣體在距離黑洞數百個史瓦西半徑處開始加速，并在吸積盤尺度上很快達到光速的1/10。對于典型的10億倍太陽質量的巨型黑洞來說，吸積盤風的加速尺度大致為0.1至1光年。上述黑洞-吸積盤風模型如果正確，在年量級的時標上，光譜吸收線輪廓應有顯著的漂移現象，但在實際觀測中，吸收坑的漂移現象非常罕見，這一矛盾暗示著寬吸收線外流的起源可能比盤風的尺度要大得多。

上述黑洞-吸積盤風模型如果正確，在年量級的時標上，光譜吸收線輪廓應有顯著的漂移現象，但在實際觀測中，吸收坑的漂移現象非常罕見，這一矛盾暗示著寬吸收線外流的起源可能比盤風的尺度要大得多。  此次工作發(fā)現加速現象發(fā)生在百光年尺度上，超過盤風尺度至少100倍，意味著類星體寬吸收線可能確實并非由黑洞吸積盤風主導，或者退一步講，至少說明黑洞吸積盤風并不是高速寬吸收線外流機制的唯一選項。

接下來的問題是，這些高速外流起源何方？它們的加速機制又是什么？何志成等人猜想，星際塵埃極有可能在外流加速過程中扮演著重要角色，因為塵埃與黑洞吸積盤紫外輻射的作用截面遠遠大于自由電子的湯姆孫散射截面，因而含塵埃的氣體更容易被吸積盤輻射加速。

進一步的分析也印證了這一猜想：他們計算發(fā)現，在黑洞吸積盤輻射與塵埃的相互作用模型中，加速外流氣體所需的塵埃含量與觀測上的塵埃消光在一個標準差內完全一致。他們按圖索驥，通過數據分析推算出外流的起源尺度，發(fā)現該尺度超過了塵埃的升華半徑，與塵埃環(huán)的尺度相吻合，有力地支持類星體高速寬吸收線外流的塵埃環(huán)起源。這一發(fā)現表明，塵埃在吸積盤輻射與星際介質之間的耦合方面發(fā)揮著關鍵作用（可與此前一些理論工作者的數值模擬結果相印證），使得外流對寄主星系中的恒星形成活動產生顯著影響。與這一工作互為表里，何志成與合作者近期發(fā)現了外流抑制星系中恒星形成活動的觀測證據（2022年1月發(fā)表于《自然·天文學》）。

值得強調的是，中國科大天文系何志成等人建立的測量星系電離氣體密度的全新方法克服了傳統(tǒng)方法受到氣體速度彌散限制的缺點。在當今時域天文日新月異、重復觀測數據大量積累的時代，該研究團隊將致力于在目前初試鋒芒應用于單目標和小樣本的基礎上，充分開掘這一套新方法的潛力，將其發(fā)展成為測量電離氣體密度的通用方法。

論文的第一兼通訊作者為中國科大特任副研究員何志成。中國科大天文系劉桂琳教授、王挺貴教授和武漢大學牟國斌研究員為共同通訊作者。本項研究得到國家自然科學基金、中國巡天空間望遠鏡項目、中科大重要方向項目培育基金、中科大青年創(chuàng)新重點基金等資助。

新安晚報 安徽網 大皖新聞記者 陳牧