是誰讓超大質量黑洞“胃口”大變？_風聞

當前國際天文界的一個發展趨勢是，“時域天文學時代”的來臨。通俗地講，時域天文學就好比是給宇宙拍攝穹頂電影，連續地觀察動態的宇宙和變化的天體（它們稱為“光變源”和“暫現源”）。而以往的天文觀測，就相當於拍攝宇宙和天體的靜態畫。

國內外天文學家正在建設和佈局從X-ray波段到光學紅外波段的大中型時域觀測設備。例如，在光學波段，美國正在智利建造8.4米直徑的大視場光學測光巡天望遠鏡LSST（近年命名為“薇拉·魯賓天文台”，以紀念女天文學家Vera C. Rubin）；我國幾所大學也在建造和規劃大視場光學測光巡天望遠鏡，中國科學院正在推進“司天工程”，它們將在各自獨有的巡天參數空間內發揮優勢作用。

活動星系核（AGN）是位於星系中心的超大質量黑洞的吸積活動現象。高光度的AGN叫做類星體，而類星體的“低光度兄弟/姐妹”叫做賽弗特（Seyfert）星系。超大質量黑洞的吸積活動，形象地説就是“進食”。胃口大的時候，就是高光度的；胃口小的時候，就是低光度的。它們的胃口大小，取決於一種叫做“吸積盤”的結構。而吸積盤的結構由誰決定、結構如何隨時間變化，一直是未解之謎。

過去幾十年中，人們只發現了少量光變幅度很大（large-amplitude variability；即胃口變化很大）的AGN；例如，在2015年前，可見光波段變亮或變暗2倍（即大約變化了0.8星等）的AGN，消除塵埃遮蔽效應後，其數量不超過10個，並且大變幅類星體幾乎沒有。

最近幾年，隨着一些自動運行的巡天望遠鏡積累了足夠長年頭的數據，隨着這些巡天的自動數據處理程序每天都“實時”發佈海量的光變曲線，人們已在監測數據所採樣的時間跨度內（長則約30年稀疏採樣，短則幾個月內密集採樣）發現較多大幅度光變的Seyfert和類星體。

這種黑洞吸積活動為什麼有內稟的大幅度光變，也就説黑洞胃口為什麼能大變？這對傳統吸積盤理論模型提出了嚴重挑戰。

最近，中國科學院雲南天文台劉文娟博士領導的一個國際合作項目在活動星系核大幅度光變研究中取得了系統性的新發現。這項成果以 Local Active Galactic Nuclei with Large Broad-Hα Variability Reside in Red Galaxies 為題，於2021年7月1日發表在國際著名天文專業期刊The Astrophysical Journal（美國《天體物理雜誌》）。論文作者成員來自中國科學院雲南天文台、智利大學、德國馬普射電天文研究所、中國科學院國家天文台、廣西大學。

該團隊基於目前最完備的低紅移“變臉活動星系核”樣本（changing-look AGN），包括團隊自己利用位於智利的6.5米光學望遠鏡證認的6個大變幅低質量活動星系核，以及國際AGN界幾十年來在寬發射線反響映射測量中積累的大變幅近鄰活動星系核，確定無疑地發現：在近鄰宇宙中，相比於一般的AGN，變臉AGN和大變幅AGN普遍地分佈在顏色偏紅、年齡偏老、恆星形成活動性偏低的宿主星系中（見圖1）。

這些變臉和大變幅的近鄰AGN，主要是Seyfert星系。因此，它們並不是像過去很多研究者所傾向於認為的：變臉AGN之所以傾向於年老的紅星系，是由於它們是LINER，因此變臉AGN與一般AGN在宿主星系上的區別是業界所習知的“LINER懟Seyfert”差異。劉文娟團隊的這個發現表明：變臉Seyfert星系是位於普通Seyfert星系族羣中的紅端，即氣體貧乏的Seyfert星系。

該論文的第二個觀測發現是：較大紅移的、高光度的變臉AGN（即變臉類星體[CLQ]）卻與近鄰較低光度的變臉AGN（即上述變臉Seyfert）不同，變臉類星體的宿主星系的傾向於顏色偏藍、恆星形成活躍（位於恆星形成主序帶SFMS），就是説它們含有豐富的冷氣體。

圖1. 星系的SFR--Mgal診斷圖（恆星形成率--星系質量）。相比較於近鄰Seyfert星系總體，變臉Seyfert以及大變幅Seyfert的宿主星系位於SFR低端（普遍位於圖中黑色折線以下）。另外，較高光度的變臉類星體的宿主星系位於綠谷地帶之上，處於恆星形成主序帶。（取自Liu+2021ApJ的圖7）

基於以上觀測事實，作者們提出理論解釋。其一，這些變臉Seyfert處於核區燃料供給的饑荒模式（距離中心黑洞<1pc; nuclear famine mode），AGN的大幅度光變是由變化的核區冷氣體所決定的。在這種饑荒模式下，稀薄的熱氣體流中能隨機地形成一些冷氣體團塊，因此導致陣發性的吸積率變大。這種冷團塊形成和陣發性吸積的現象，已經在對於銀心黑洞亞pc尺度的燃料供給過程的3維數值模擬中得到了驗證。現有數值模擬的吸積率（或者説燃料供給率）上升或下降階段的時長、峯值持續的時長，和變臉Seyfert星系的光變曲線是能一致的。在光變曲線上，這對應於一種長期緩變的光變特徵（secular pattern；見圖2的左側）。

其二，高光度的變臉AGN（即CLQ）和大變幅AGN（即大變幅類星體[EVQ]）則有不同的光變特徵。從文獻中的類星體樣本（大致上是相對吸積率高的AGN）統計結果來看，類星體光變在時間軸上沒有任何階段表現出緩變的特徵，光變幅度呈現出連續的分佈；因此，CLQ和EVQ的大幅度光變只是處於光變幅度分佈的高端（參見圖2右側的示例）。

該團隊提出：這種光變特徵與本論文發現的CLQ宿主星系特徵是一致的，其本質是核區冷氣體極其充分的燃料供給模式（nuclear feast mode）；在這種模式下，吸積流是非常幾何厚的（高度H不小於徑向尺寸 R）、熱時標短且具有內在的不穩定性。

圖2. 左：一個典型的變臉Seyfert星系的光變曲線，呈現出久期緩變的特徵（Mrk1018；取自文獻Krumpe et al. 2017, A&A 607,L9的圖1）。右：數值模擬的CLQ/EVQ的光變曲線，大變幅只是光變幅度的連續分佈的高端（取自文獻Jiang & Blaes 2020, ApJ 900,25的圖14）。

從本研究結果來做合理推斷，AGN的胃口（即吸積流及其光變特性）基本上由核區燃料供給條件決定了；核區燃料就是黑洞“嘴邊的肉”，也就是專業術語“吸積盤的外邊界條件”。

如果外邊界條件是冷氣體貧乏的（nuclear famine），那麼大致上AGN沒有塵埃環（即1pc尺度的torus），沒有傳統意義的吸積盤，只是球狀的熱氣體吸積，吸積效率很低，但是熱吸積流（特別是有輻射時）會自發地、隨機地產生冷氣體團塊（cold clumps），當這種冷團塊能被中心黑洞俘獲時，一段時間內就胃口大增，大變幅Seyfert就屬於這一類；好比是在饑荒時節，從天上掉下幾塊冰激淋。

如果外邊界條件是冷氣體極其豐富的（nuclear feast），那就好比“大胃王爭霸賽”的情形，那麼吸積流就是非常厚的，基本上就不能看作是吸積“盤”了，正如Antonucci教授所論斷的沒有傳統意義的穩態吸積解，這就是Jiang & Blaes (2020)等數值模擬所實現的吸積流；這種吸積流有着各種內在的不穩定性，導致大幅度光變，就像有的“大胃王選手”貪多求快，吞食節奏不夠平穩，前面所提及的CLQ和EVQ就可以歸入這一類。

如果外邊界條件介於這兩種情形之間呢？那也許就存在穩態吸積盤模型嘍，比如標準薄盤、Slim盤，對應於不顯著光變的Seyfert和類星體，就像我們這些穩重的中年人每天中午吃工作餐。

論文合作者中科院國家天文台徐達維研究員和廣西大學的王競教授表示：本項研究觸發了幾個可進一步研究的方向，比如針對文獻中變臉類星體與變臉Seyfert的光變曲線特徵的差異，本論文提出這種差異取決於燃料供給模式，就是説本質因素不是變臉AGN的光度大小、而是兩種供給模式；形象地説，大幅度光變只存在於這兩種情形：“饑荒時的冰激淋”和“大胃王爭霸賽”。這兩種光變特徵差異到底如何、我們的理論解釋是否正確，這些都值得進一步觀測驗證。

該論文的另一位合作者、現在德國馬普射電天文研究所工作的姚蘇博士表示，考慮到X射線直接來源於離黑洞最近的氣體的輻射，而且X射線光變往往比光學連續譜更顯著，那麼後續的X射線研究或許能夠進一步刻畫：不同燃料供給模式下最內區吸積流的變化，也就是在黑洞喉嚨處觀察它的吞嚥動作。

本研究得到了國家自然科學基金委以及中國科學院“西部之光”項目的資助。

參考文獻：

1. Local Active Galactic Nuclei with Large Broad-Hα Variability Reside in Red Galaxies , Liu, Wen-Juan; Lira, Paulina; Yao, Su; Xu, Dawei; Wang, Jing; Dong, Xiao-Bo; Martínez-Palomera, Jorge 2021, ApJ, 915, 63   https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2021ApJ…915...63L

2. Astrophysics: Quasars still defy explanation , Antonucci, Robert 2013, Nature, 495, 165  https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2013Natur.495..165A

3. Old news on quasar viscosity , Antonucci, Robert 2018, Nature Astronomy, 2, 504   https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2018NatAs…2..504A

來源：中國科學院雲南天文台