中國科大物理學院天文學系王挺貴教授團隊首次發現黑洞潮汐撕裂恒星事件中光學鐵發射線的遲滯效應

圖1活動星系核中正在發生的黑洞潮汐撕裂恒星事件。觀測上發現,光學FeII强度與愛丁頓比率存在很好的相關性,可以作為愛丁頓比率的指針。近些年蓬勃發展的時域巡天還發現了一批區別於AGN的黑洞暫現吸積事件,稱作黑洞潮汐撕裂恒星事件。這項工作進一步證明了AGN中的TDE事件對於理解黑洞吸積系統具有重要研究價值。

中國科大物理學院天文學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鐵發射線的遲滯效應。論文於2021年1月28日線上發表在國際知名學術期刊《天體物理快報》(The Astrophysical Journal Letters)上。

圖1活動星系核中正在發生的黑洞潮汐撕裂恒星事件(TDE)。(概念圖,采自網絡)

星系中心普遍存在超大質量黑洞,當它處於高速吸積增長階段,就表現為活動星系核(AGN)。多成分混合的鐵發射線(FeII)是AGN紫外和光學光譜最重要的特徵之一。觀測上發現,光學FeII强度與愛丁頓比率存在很好的相關性,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以及構建黑洞活動主序關係最重要的物理量之一。然而,由於鐵線能級的複雜性,到目前為止人們對於鐵線的產生機制和區域都不清楚,嚴重制約了我們對AGN的理解。

近些年蓬勃發展的時域巡天還發現了一批區別於AGN的黑洞暫現吸積事件,稱作黑洞潮汐撕裂恒星事件(TDE)。在AGN中如果發生TDE(圖1),黑洞吸積率會在月到年時標發生遠比一般AGN劇烈的變化,提供了一個極佳的機會研究發射線對中心輻射的響應,進而瞭解AGN的結構。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强的塵埃環紅外迴響的訊號,且早期階段伴隨塵埃昇華過程,由此猜測塵埃中的鐵元素被釋放進入氣態,進而產生了觀測到的增强的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,首次發現光學FeII線對中心輻射的异常響應(TDE爆發前後FeII響應具有不同的幂律指數,圖2)。在相同的中心光度下,爆發後的FeII强度高於爆發前,表明爆發過程中產生鐵的氣體量確實新增了。當中心光度衰减到爆發前水准時,FeII的强度並沒有回到爆發前的水准,而是高於爆發前,這是一種遲滯效應(Hysteresis Effect)。這種效應在很多領域都常見,是一類路徑依賴的效應,即系統的狀態,不僅與當下系統的輸入有關,更會因其過去輸入過程之路徑不同,而有不同的結果。例如一塊黏土放在手上,捏壓之後不再施力,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了,而不同捏壓的方法,也會得到不同的形態。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,這取決於磁場在過去的狀態。即,磁場過去的狀態依然會對現在的磁鐵的磁矩產生影響,即使磁場狀態以及發生了改變。遲滯現象在鐵磁體,鐵電資料,橡膠管的變形,形狀記憶合金中均可以見到。但是這種效應第一次在活動星系核中發現。FeII線的遲滯效應可以解釋為TDE中FeII線起源於剛剛從塵埃昇華而來的氣體。而其他常見的線,如Hβ線並未發現這種效應,爆發前後Hβ的響應一致。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事件中鐵發射線響應的遲滯效應演示圖

這項工作進一步證明了AGN中的TDE事件對於理解黑洞吸積系統具有重要研究價值。我校與紫金山天文臺共建的大視場巡天望遠鏡(WFST)預計會發現大量的此類事件,預計將有力推動這一領域的發展。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新重點基金,國家自然科學基金以及科技部國家重點研發項目的支持。

相關論文地址:https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/abd7fd

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