科學家揭示超大質量黑洞吸積輻射能譜的新規律

中國科學技術大學天文學系蔡振翼副教授和王俊賢教授，通過研究類星體中心超大質量黑洞吸積的極紫外輻射能譜，發現其與類星體本征亮度無關，推翻了該領域的傳統認識。他們進一步發現，類星體的平均極紫外能譜遠比經典吸積盤理論預期更軟，對經典吸積盤輻射模型給出嚴重挑戰，有力地支持了具有普遍盤風的吸積模型。10月5日，相關成果在線發表于《自然-天文學》。

類星體是一類非常明亮的河外天體，其中心的超大質量黑洞持續吞噬所處星系核心區域的氣體。巨大的引力勢在氣體形成的吸積盤上得以釋放，轉化為熱能和電磁輻射，使得星系核心異常明亮。類星體也因其超高的本征亮度而被稱為宇宙中的“超級巨獸”。標準吸積盤理論表明，吸積盤產生著名的“大藍包”輻射特征，理論預期峰值在極紫外波段。中心黑洞質量越大，理論預期吸積盤溫度越低，極紫外能譜越軟。觀測上發現，越亮的類星體（黑洞質量越大）具有相對越弱的發射線（可由更軟的極紫外能譜解釋），即著名的Baldwin效應，也似與經典吸積盤理論模型一致。

蔡振翼和王俊賢的研究直接聚焦于大樣本類星體的光學-極紫外能譜，該項研究利用地面SDSS和空間GALEX的觀測數據，控制極紫外探測不完備度的影響，發現類星體的平均極紫外能譜不依賴于本征亮度，不僅表明本征亮度差異無法解釋Baldwin效應，還顯著挑戰標準吸積盤理論預言。同時，他們給出了Baldwin效應的可能新物理起源：越明亮的類星體，其吸積盤熱漲落越小，從而無法產生較多的發射線區云團。

通過改正星系際介質吸收的影響，該研究還發現，類星體的極紫外平均能譜比所有前人的研究結果都更軟，對標準吸積盤模型給出了進一步嚴重挑戰。這個超軟的、不依賴于本征亮度的極紫外能譜很好地契合具有盤風的吸積盤模型預言，表明類星體中普遍存在盤風。

該項研究結果對深入理解大質量黑洞吸積物理、黑洞質量增長、宇宙再電離、寬線區物理起源、極紫外塵埃消光等諸多方面具有廣泛影響。未來，中國巡天空間望遠鏡等具備紫外探測能力的衛星項目將極大提升人們對類星體諸多物理本質的認識。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41550-023-02088-5