中國科大首次發(fā)現(xiàn)黑洞潮汐撕裂恒星事件中光學(xué)鐵發(fā)射線的遲滯效應(yīng)

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中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)天文學(xué)系王挺貴教授團隊首次探測到黑洞潮汐撕裂恒星事件中光學(xué)鐵發(fā)射線的遲滯效應(yīng)。 論文于2021年1月28日在線發(fā)表在國際知名學(xué)術(shù)期刊《天體物理快報》 (The Astrophysical Journal Letters)上。

圖1??活動星系核中正在發(fā)生的黑洞潮汐撕裂恒星事件(TDE)。(概念圖,采自網(wǎng)絡(luò))
星系中心普遍存在超大質(zhì)量黑洞,當(dāng)它處于高速吸積增長階段,就表現(xiàn)為活動星系核(AGN)。多成分混合的鐵發(fā)射線(FeII)是AGN紫外和光學(xué)光譜最重要的特征之一。觀測上發(fā)現(xiàn),光學(xué)FeII強度與愛丁頓比率存在很好的相關(guān)性,可以作為愛丁頓比率的指針。而愛丁頓比率是描述黑洞吸積系統(tǒng)以及構(gòu)建黑洞活動主序關(guān)系最重要的物理量之一。然而,由于鐵線能級的復(fù)雜性,到目前為止人們對于鐵線的產(chǎn)生機制和區(qū)域都不清楚,嚴(yán)重制約了我們對AGN的理解。
近些年蓬勃發(fā)展的時域巡天還發(fā)現(xiàn)了一批區(qū)別于AGN的黑洞暫現(xiàn)吸積事件,稱作黑洞潮汐撕裂恒星事件(TDE)。在AGN中如果發(fā)生TDE(圖1),黑洞吸積率會在月到年時標(biāo)發(fā)生遠比一般AGN劇烈的變化,提供了一個極佳的機會研究發(fā)射線對中心輻射的響應(yīng),進而了解AGN的結(jié)構(gòu)。研究團隊前期的工作在PS16dtm和PS1-10adi等著名事件中探測到了超強的塵埃環(huán)紅外回響的信號,且早期階段伴隨塵埃升華過程,由此猜測塵埃中的鐵元素被釋放進入氣態(tài),進而產(chǎn)生了觀測到的增強的FeII輻射。
研究團隊本次通過仔細分析PS1-10adi在不同階段的光譜,首次發(fā)現(xiàn)光學(xué)FeII線對中心輻射的異常響應(yīng)(TDE爆發(fā)前后FeII響應(yīng)具有不同的冪律指數(shù),圖2)。在相同的中心光度下,爆發(fā)后的FeII強度高于爆發(fā)前,表明爆發(fā)過程中產(chǎn)生鐵的氣體量確實增加了。當(dāng)中心光度衰減到爆發(fā)前水平時,F(xiàn)eII的強度并沒有回到爆發(fā)前的水平,而是高于爆發(fā)前,這是一種遲滯效應(yīng)(Hysteresis Effect)。這種效應(yīng)在很多領(lǐng)域都常見,是一類路徑依賴的效應(yīng),即系統(tǒng)的狀態(tài),不僅與當(dāng)下系統(tǒng)的輸入有關(guān),更會因其過去輸入過程之路徑不同,而有不同的結(jié)果。例如一塊黏土放在手上,捏壓之后不再施力,此時受力與先前放在手上可視為相同,但是卻已不是先前形態(tài)了,而不同捏壓的方法,也會得到不同的形態(tài)。再例如,在一個給定的磁場中,一塊磁鐵可能含有不只一種可能的磁矩,這取決于磁場在過去的狀態(tài)。即,磁場過去的狀態(tài)依然會對現(xiàn)在的磁鐵的磁矩產(chǎn)生影響,即使磁場狀態(tài)以及發(fā)生了改變。遲滯現(xiàn)象在鐵磁體,鐵電材料,橡膠管的變形,形狀記憶合金中均可以見到。但是這種效應(yīng)第一次在活動星系核中發(fā)現(xiàn)。FeII線的遲滯效應(yīng)可以解釋為TDE中FeII線起源于剛剛從塵埃升華而來的氣體。而其他常見的線,如Hβ線并未發(fā)現(xiàn)這種效應(yīng),爆發(fā)前后Hβ的響應(yīng)一致。因而解釋了FeII與Hβ的線比可以作為愛丁頓比率的指針。

圖2 TDE事件中鐵發(fā)射線響應(yīng)的遲滯效應(yīng)演示圖
這項工作進一步證明了AGN中的TDE事件對于理解黑洞吸積系統(tǒng)具有重要研究價值。我校與紫金山天文臺共建的大視場巡天望遠鏡(WFST)預(yù)計會發(fā)現(xiàn)大量的此類事件,預(yù)計將有力推動這一領(lǐng)域的發(fā)展。論文的第一作者兼共同通訊作者為天文系特任副研究員何志成。天文系副研究員蔣凝以及王挺貴教授為論文的共同通訊作者。本項研究得到中國科大青年創(chuàng)新重點基金,國家自然科學(xué)基金以及科技部國家重點研發(fā)項目的支持。
相關(guān)論文地址:
(物理學(xué)院、科研部)

