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中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)天文學(xué)系王挺貴教授與劉桂琳教授團(tuán)隊(duì)特任副研究員何志成博士創(chuàng)建了一套全新的測(cè)量星系電離氣體物理性質(zhì)的方法，首次發(fā)現(xiàn)活動(dòng)星系中心高速外流在百光年尺度上的加速現(xiàn)象，該尺度超出經(jīng)典的黑洞-吸積盤風(fēng)尺度達(dá)兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。該成果以“Evidence for quasar fast outflows being accelerated at the scale of tens of parsecs”為題，于2022年2月12日在線發(fā)表于國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上。

當(dāng)今星系形成與演化理論認(rèn)為，星系中心活躍的巨型黑洞（可超過(guò)10億倍太陽(yáng)質(zhì)量）所釋放的巨大能量會(huì)有效調(diào)節(jié)星系演化，阻止星系生長(zhǎng)得過(guò)于龐大，被稱作“活動(dòng)星系核反饋”機(jī)制?；顒?dòng)星系中心黑洞吸積周邊物質(zhì)時(shí)形成旋轉(zhuǎn)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(dá)光速十分之一）。外流氣體將物質(zhì)和能量從星系核區(qū)攜帶至寄主星系中,是活動(dòng)星系核反饋的主要形式之一。然而，人們對(duì)活動(dòng)星系外流的物理屬性、起源、加速機(jī)制及其對(duì)星系演化的具體影響仍然知之甚少。

圖1 活動(dòng)星系中心引擎：活躍的巨型黑洞吸積周邊物質(zhì)，形成旋轉(zhuǎn)的吸積盤，產(chǎn)生的強(qiáng)烈電磁輻射可超過(guò)其所在星系恒星光度總和的千倍以上，對(duì)星系整體演化產(chǎn)生重要影響（圖片來(lái)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(duì)星系環(huán)境影響的核心參數(shù)之一，但鑒于探測(cè)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(qiáng)，且結(jié)果不夠可靠。學(xué)界普遍認(rèn)為通過(guò)對(duì)密度敏感的離子激發(fā)態(tài)吸收線來(lái)推算相對(duì)可靠，但由于技術(shù)復(fù)雜、結(jié)果不確定，而且只能用于沒有自混合的較窄吸收線，導(dǎo)致近三十年來(lái)人們用這一傳統(tǒng)方法僅推算出數(shù)十個(gè)活動(dòng)星系的外流尺度，并且在尺度的數(shù)量級(jí)上存在爭(zhēng)議，致使該領(lǐng)域針對(duì)寬吸收線高速外流的研究長(zhǎng)期以來(lái)一直進(jìn)展緩慢。

圖2 首次發(fā)現(xiàn)活動(dòng)星系中心高速外流在百光年尺度上的加速現(xiàn)象，超出經(jīng)典黑洞-吸積盤風(fēng)(見圖3)的尺度至少兩個(gè)量級(jí)。測(cè)量結(jié)果與塵埃環(huán)起源的塵埃加速模型高度吻合。

圖3 活動(dòng)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(gè)量級(jí)。

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(cè)量外流物理參數(shù)的新手段，并利用斯隆大樣本巡天數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)大部分高速外流尺度在數(shù)十光年以上，并且能量足以影響星系的整體演化。但這項(xiàng)于2019年發(fā)表在《自然·天文學(xué)》上的工作僅限于利用氣體電離狀態(tài)對(duì)中心輻射響應(yīng)可近似為階梯函數(shù)的基本性質(zhì)，也沒有對(duì)不同速度成分的外流進(jìn)行分解，所以并未得到外流的運(yùn)動(dòng)學(xué)信息。

為彌補(bǔ)這些缺陷，歷經(jīng)數(shù)年努力，何志成又開發(fā)出一種同時(shí)利用響應(yīng)函數(shù)的幅度和相位信息的新方法，成功獲得了類星體外流的運(yùn)動(dòng)學(xué)信息，首次發(fā)現(xiàn)高速外流在百光年尺度上的加速現(xiàn)象（圖2），這一尺度超出經(jīng)典的黑洞-吸積盤風(fēng)（見圖3）尺度達(dá)100倍以上。

國(guó)際上，用于解釋類星體寬吸收線的黑洞吸積盤風(fēng)模型（圖3）自1995年提出后，已逐漸被該領(lǐng)域?qū)W者所接受。在這一理論模型中，劇烈的吸積盤紫外輻射驅(qū)動(dòng)氣體在距離黑洞數(shù)百個(gè)史瓦西半徑處開始加速，并在吸積盤尺度上很快達(dá)到光速的1/10。對(duì)于典型的10億倍太陽(yáng)質(zhì)量的巨型黑洞來(lái)說(shuō)，吸積盤風(fēng)的加速尺度大致為0.1至1光年。上述黑洞-吸積盤風(fēng)模型如果正確，在年量級(jí)的時(shí)標(biāo)上，光譜吸收線輪廓應(yīng)有顯著的漂移現(xiàn)象，但在實(shí)際觀測(cè)中，吸收坑的漂移現(xiàn)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(fēng)的尺度要大得多。上述黑洞-吸積盤風(fēng)模型如果正確，在年量級(jí)的時(shí)標(biāo)上，光譜吸收線輪廓應(yīng)有顯著的漂移現(xiàn)象，但在實(shí)際觀測(cè)中，吸收坑的漂移現(xiàn)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(fēng)的尺度要大得多。 ?此次工作發(fā)現(xiàn)加速現(xiàn)象發(fā)生在百光年尺度上，超過(guò)盤風(fēng)尺度至少100倍，意味著類星體寬吸收線可能確實(shí)并非由黑洞吸積盤風(fēng)主導(dǎo)，或者退一步講，至少說(shuō)明黑洞吸積盤風(fēng)并不是高速寬吸收線外流機(jī)制的唯一選項(xiàng)。

接下來(lái)的問(wèn)題是，這些高速外流起源何方？它們的加速機(jī)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(guò)程中扮演著重要角色，因?yàn)閴m埃與黑洞吸積盤紫外輻射的作用截面遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jìn)一步的分析也印證了這一猜想：他們計(jì)算發(fā)現(xiàn)，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(cè)上的塵埃消光在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差內(nèi)完全一致。他們按圖索驥，通過(guò)數(shù)據(jù)分析推算出外流的起源尺度，發(fā)現(xiàn)該尺度超過(guò)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(xiàn)表明，塵埃在吸積盤輻射與星際介質(zhì)之間的耦合方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用（可與此前一些理論工作者的數(shù)值模擬結(jié)果相印證），使得外流對(duì)寄主星系中的恒星形成活動(dòng)產(chǎn)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(xiàn)了外流抑制星系中恒星形成活動(dòng)的觀測(cè)證據(jù)（2022年1月發(fā)表于《自然·天文學(xué)》）。

值得強(qiáng)調(diào)的是，中國(guó)科大天文系何志成等人建立的測(cè)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(diǎn)。在當(dāng)今時(shí)域天文日新月異、重復(fù)觀測(cè)數(shù)據(jù)大量積累的時(shí)代，該研究團(tuán)隊(duì)將致力于在目前初試鋒芒應(yīng)用于單目標(biāo)和小樣本的基礎(chǔ)上，充分開掘這一套新方法的潛力，將其發(fā)展成為測(cè)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(guó)科大特任副研究員何志成。中國(guó)科大天文系劉桂琳教授、王挺貴教授和武漢大學(xué)牟國(guó)斌研究員為共同通訊作者。本項(xiàng)研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)巡天空間望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目、中科大重要方向項(xiàng)目培育基金、中科大青年創(chuàng)新重點(diǎn)基金等資助。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abk3291

（物理學(xué)院、科研部）