中科院等破解类星体宽线区之谜 黑洞质量测量精度有望大幅提高

日前，国际期刊《自然-天文》(Nature Astronomy)在线发表了一项关于类星体宽发射线区起源的研究成果。这项研究由中国科学院高能物理研究所研究员王建民带领的一个国际合作组攻关完成，合作组成员还有美国怀俄明大学和南京大学。

在该研究中，科研人员提出了宽线区起源于尘埃环的理论，建立了中心超大质量黑洞、吸积盘、宽线区和尘埃环之间的物理联系，诠释了宽线区谱线轮廓的物理意义，揭开了困扰天文学家长达70多年的活动星系核和类星体的宽线区起源和物理结构的核心谜题。基于这个理论，人们可从谱线轮廓准确地获得超大质量黑洞附近的电离气体空间分布和动力学，使得目前误差高达半个数量级的黑洞质量测量精度有望大幅度提高。

王建民团队提出，活动星系核尘埃环中的云块会被中心黑洞的潮汐力俘获瓦解。团队通过定量建模，发现谱线轮廓的“不对称性”、“轮廓畸变”和“线心移动”三大特征均与尘埃环张角有强相关，这说明宽线区应主要起源于尘埃环。比起现有各种起源理论，该物理模型自然地为黑洞吸积原料、电离气体来源和尘埃环等一系列关键过程建立了整体和系统的物理联系。

此外，这项研究使科研工作者能够从谱线轮廓中可靠地分离出维里化成份，并可以结合偏振观测确定维里化成份气体盘的倾角。在消除各种不确定因素之后，黑洞质量精度有望达到20%左右。

目前，王建民团队通过国际合作申请已获得了欧洲南方天文台甚大望远镜（VLT）的观测时间和偏振数据，近期可实现高精度测量黑洞质量。这一成果有望为该团队的后续课题——用超爱丁顿吸积的类星体测量早期宇宙膨胀历史奠定可靠基础，并帮助揭示大质量黑洞与星系共同演化的细节。

早在1943年，美国天文学家发现某些星系的核区具有宽度达到数千公里每秒的巴尔末发射线光谱，它们被称为活动星系核。但至今没有一个能够解释宽线区等核区诸多观测现象的统一理论。而由于缺乏对谱线轮廓各个成分的物理解读，目前对黑洞质量估计的误差高达2至3倍。因此，宽线区起源和物理，以及如何测量黑洞基本参数是天文和天体物理的一个基础性研究课题。