是谁让超大质量黑洞“胃口”大变？_风闻

当前国际天文界的一个发展趋势是，“时域天文学时代”的来临。通俗地讲，时域天文学就好比是给宇宙拍摄穹顶电影，连续地观察动态的宇宙和变化的天体（它们称为“光变源”和“暂现源”）。而以往的天文观测，就相当于拍摄宇宙和天体的静态画。

国内外天文学家正在建设和布局从X-ray波段到光学红外波段的大中型时域观测设备。例如，在光学波段，美国正在智利建造8.4米直径的大视场光学测光巡天望远镜LSST（近年命名为“薇拉·鲁宾天文台”，以纪念女天文学家Vera C. Rubin）；我国几所大学也在建造和规划大视场光学测光巡天望远镜，中国科学院正在推进“司天工程”，它们将在各自独有的巡天参数空间内发挥优势作用。

活动星系核（AGN）是位于星系中心的超大质量黑洞的吸积活动现象。高光度的AGN叫做类星体，而类星体的“低光度兄弟/姐妹”叫做赛弗特（Seyfert）星系。超大质量黑洞的吸积活动，形象地说就是“进食”。胃口大的时候，就是高光度的；胃口小的时候，就是低光度的。它们的胃口大小，取决于一种叫做“吸积盘”的结构。而吸积盘的结构由谁决定、结构如何随时间变化，一直是未解之谜。

过去几十年中，人们只发现了少量光变幅度很大（large-amplitude variability；即胃口变化很大）的AGN；例如，在2015年前，可见光波段变亮或变暗2倍（即大约变化了0.8星等）的AGN，消除尘埃遮蔽效应后，其数量不超过10个，并且大变幅类星体几乎没有。

最近几年，随着一些自动运行的巡天望远镜积累了足够长年头的数据，随着这些巡天的自动数据处理程序每天都“实时”发布海量的光变曲线，人们已在监测数据所采样的时间跨度内（长则约30年稀疏采样，短则几个月内密集采样）发现较多大幅度光变的Seyfert和类星体。

这种黑洞吸积活动为什么有内禀的大幅度光变，也就说黑洞胃口为什么能大变？这对传统吸积盘理论模型提出了严重挑战。

最近，中国科学院云南天文台刘文娟博士领导的一个国际合作项目在活动星系核大幅度光变研究中取得了系统性的新发现。这项成果以 Local Active Galactic Nuclei with Large Broad-Hα Variability Reside in Red Galaxies 为题，于2021年7月1日发表在国际著名天文专业期刊The Astrophysical Journal（美国《天体物理杂志》）。论文作者成员来自中国科学院云南天文台、智利大学、德国马普射电天文研究所、中国科学院国家天文台、广西大学。

该团队基于目前最完备的低红移“变脸活动星系核”样本（changing-look AGN），包括团队自己利用位于智利的6.5米光学望远镜证认的6个大变幅低质量活动星系核，以及国际AGN界几十年来在宽发射线反响映射测量中积累的大变幅近邻活动星系核，确定无疑地发现：在近邻宇宙中，相比于一般的AGN，变脸AGN和大变幅AGN普遍地分布在颜色偏红、年龄偏老、恒星形成活动性偏低的宿主星系中（见图1）。

这些变脸和大变幅的近邻AGN，主要是Seyfert星系。因此，它们并不是像过去很多研究者所倾向于认为的：变脸AGN之所以倾向于年老的红星系，是由于它们是LINER，因此变脸AGN与一般AGN在宿主星系上的区别是业界所习知的“LINER怼Seyfert”差异。刘文娟团队的这个发现表明：变脸Seyfert星系是位于普通Seyfert星系族群中的红端，即气体贫乏的Seyfert星系。

该论文的第二个观测发现是：较大红移的、高光度的变脸AGN（即变脸类星体[CLQ]）却与近邻较低光度的变脸AGN（即上述变脸Seyfert）不同，变脸类星体的宿主星系的倾向于颜色偏蓝、恒星形成活跃（位于恒星形成主序带SFMS），就是说它们含有丰富的冷气体。

图1. 星系的SFR--Mgal诊断图（恒星形成率--星系质量）。相比较于近邻Seyfert星系总体，变脸Seyfert以及大变幅Seyfert的宿主星系位于SFR低端（普遍位于图中黑色折线以下）。另外，较高光度的变脸类星体的宿主星系位于绿谷地带之上，处于恒星形成主序带。（取自Liu+2021ApJ的图7）

基于以上观测事实，作者们提出理论解释。其一，这些变脸Seyfert处于核区燃料供给的饥荒模式（距离中心黑洞<1pc; nuclear famine mode），AGN的大幅度光变是由变化的核区冷气体所决定的。在这种饥荒模式下，稀薄的热气体流中能随机地形成一些冷气体团块，因此导致阵发性的吸积率变大。这种冷团块形成和阵发性吸积的现象，已经在对于银心黑洞亚pc尺度的燃料供给过程的3维数值模拟中得到了验证。现有数值模拟的吸积率（或者说燃料供给率）上升或下降阶段的时长、峰值持续的时长，和变脸Seyfert星系的光变曲线是能一致的。在光变曲线上，这对应于一种长期缓变的光变特征（secular pattern；见图2的左侧）。

其二，高光度的变脸AGN（即CLQ）和大变幅AGN（即大变幅类星体[EVQ]）则有不同的光变特征。从文献中的类星体样本（大致上是相对吸积率高的AGN）统计结果来看，类星体光变在时间轴上没有任何阶段表现出缓变的特征，光变幅度呈现出连续的分布；因此，CLQ和EVQ的大幅度光变只是处于光变幅度分布的高端（参见图2右侧的示例）。

该团队提出：这种光变特征与本论文发现的CLQ宿主星系特征是一致的，其本质是核区冷气体极其充分的燃料供给模式（nuclear feast mode）；在这种模式下，吸积流是非常几何厚的（高度H不小于径向尺寸 R）、热时标短且具有内在的不稳定性。

图2. 左：一个典型的变脸Seyfert星系的光变曲线，呈现出久期缓变的特征（Mrk1018；取自文献Krumpe et al. 2017, A&A 607,L9的图1）。右：数值模拟的CLQ/EVQ的光变曲线，大变幅只是光变幅度的连续分布的高端（取自文献Jiang & Blaes 2020, ApJ 900,25的图14）。

从本研究结果来做合理推断，AGN的胃口（即吸积流及其光变特性）基本上由核区燃料供给条件决定了；核区燃料就是黑洞“嘴边的肉”，也就是专业术语“吸积盘的外边界条件”。

如果外边界条件是冷气体贫乏的（nuclear famine），那么大致上AGN没有尘埃环（即1pc尺度的torus），没有传统意义的吸积盘，只是球状的热气体吸积，吸积效率很低，但是热吸积流（特别是有辐射时）会自发地、随机地产生冷气体团块（cold clumps），当这种冷团块能被中心黑洞俘获时，一段时间内就胃口大增，大变幅Seyfert就属于这一类；好比是在饥荒时节，从天上掉下几块冰激淋。

如果外边界条件是冷气体极其丰富的（nuclear feast），那就好比“大胃王争霸赛”的情形，那么吸积流就是非常厚的，基本上就不能看作是吸积“盘”了，正如Antonucci教授所论断的没有传统意义的稳态吸积解，这就是Jiang & Blaes (2020)等数值模拟所实现的吸积流；这种吸积流有着各种内在的不稳定性，导致大幅度光变，就像有的“大胃王选手”贪多求快，吞食节奏不够平稳，前面所提及的CLQ和EVQ就可以归入这一类。

如果外边界条件介于这两种情形之间呢？那也许就存在稳态吸积盘模型喽，比如标准薄盘、Slim盘，对应于不显著光变的Seyfert和类星体，就像我们这些稳重的中年人每天中午吃工作餐。

论文合作者中科院国家天文台徐达维研究员和广西大学的王竞教授表示：本项研究触发了几个可进一步研究的方向，比如针对文献中变脸类星体与变脸Seyfert的光变曲线特征的差异，本论文提出这种差异取决于燃料供给模式，就是说本质因素不是变脸AGN的光度大小、而是两种供给模式；形象地说，大幅度光变只存在于这两种情形：“饥荒时的冰激淋”和“大胃王争霸赛”。这两种光变特征差异到底如何、我们的理论解释是否正确，这些都值得进一步观测验证。

该论文的另一位合作者、现在德国马普射电天文研究所工作的姚苏博士表示，考虑到X射线直接来源于离黑洞最近的气体的辐射，而且X射线光变往往比光学连续谱更显著，那么后续的X射线研究或许能够进一步刻画：不同燃料供给模式下最内区吸积流的变化，也就是在黑洞喉咙处观察它的吞咽动作。

本研究得到了国家自然科学基金委以及中国科学院“西部之光”项目的资助。

参考文献：

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

来源：中国科学院云南天文台