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王(wang)挺(ting)贵(gui)课(ke)题组(zu)首次(ci)发(fa)现黑(hei)洞潮汐撕裂恒星事件中光学(xue)铁发(fa)射(she)线的(de)迟滞效应
    

中国科学技术大学天文学系王挺贵教授团队首次探测到黑洞潮汐撕裂恒星事件中光学铁发射线的迟滞效应。 论文于2021128日在线(xian)发表在国(guo)际知名(ming)学(xue)术期刊(kan)《天体物理快报》 (The Astrophysical Journal Letters)上。

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1  活动星系核中正在发生的黑洞潮汐撕裂恒星事件(TDE)。(概念图,采自网络)

星系(xi)中心普(pu)遍(bian)存在超大质量黑(hei)洞,当它处(chu)于(yu)高速吸积(ji)增长阶段(duan),就表现为活(huo)动星系(xi)核(AGN)。多成分混合(he)的铁发射线(FeII)是AGN紫外和光(guang)学光(guang)谱最重要(yao)的特征之(zhi)一。观测上发现,光(guang)学FeII强(qiang)度与爱丁(ding)顿(dun)(dun)比率(lv)存在很好的(de)(de)相关性,可以作为爱丁(ding)顿(dun)(dun)比率(lv)的(de)(de)指针。而(er)爱丁(ding)顿(dun)(dun)比率(lv)是(shi)描述黑洞吸积系统以及构建(jian)黑洞活动主序关系最重要的(de)(de)物(wu)理量之(zhi)一。然(ran)而(er),由于铁线(xian)能(neng)级的(de)(de)复杂性,到目(mu)前为止(zhi)人(ren)们(men)对(dui)于铁线(xian)的(de)(de)产生(sheng)机制和(he)区域都不清楚,严重制约(yue)了我们(men)对(dui)AGN的(de)理(li)解。

近些(xie)年蓬勃发展(zhan)的(de)时域巡天还发现了一批(pi)区别于AGN的黑(hei)洞暂现吸积事件,称作黑(hei)洞潮(chao)汐撕裂恒星事件(TDE)。在AGN中如果(guo)发(fa)生TDE(图(tu)1),黑(hei)洞吸积(ji)率会在月(yue)到年时(shi)标(biao)发(fa)生远比一般AGN剧烈的(de)变化(hua),提供了(le)(le)一个极佳的(de)机(ji)会研(yan)究(jiu)发射线对中心辐射的(de)响应(ying),进而了(le)(le)解AGN的结构。研究团队前期的工作在(zai)PS16dtmPS1-10adi等著名事件中(zhong)探测到(dao)了超强的(de)尘埃环红外(wai)回响的(de)信号,且早期阶段伴(ban)随(sui)尘埃升华(hua)过程,由此(ci)猜测尘埃中(zhong)的(de)铁(tie)元素被释放进(jin)入气态(tai),进(jin)而产(chan)生了观测到(dao)的(de)增强的(de)FeII辐射。

研究团队本次通(tong)过仔(zi)细(xi)分析(xi)PS1-10adi在不同阶段的光(guang)谱,首次(ci)发(fa)现光(guang)学FeII线(xian)对中心辐(fu)射的异常响应(ying)(TDE爆发前(qian)后FeII响应具有不同的幂律指数,图2)。在相(xiang)同的(de)中心光度(du)下,爆发后的(de)FeII强度高于爆发(fa)前,表明爆发(fa)过程中产生铁的气体量确实(shi)增(zeng)加了。当中心光度衰减(jian)到爆发(fa)前水平时,FeII的强度(du)并(bing)没有回到爆发(fa)前(qian)的水平,而是(shi)高(gao)于(yu)爆发(fa)前(qian),这是(shi)一种(zhong)迟滞(zhi)效(xiao)应(Hysteresis Effect)。这(zhei)种效应在(zai)很多领域都(dou)常(chang)见,是一类(lei)路径依赖的(de)(de)(de)效应,即系统的(de)(de)(de)状态,不(bu)(bu)仅与当下系统的(de)(de)(de)输入(ru)有关,更会因其(qi)过(guo)(guo)去(qu)输入(ru)过(guo)(guo)程之路径不(bu)(bu)同,而有不(bu)(bu)同的(de)(de)(de)结果(guo)例(li)如一(yi)块(kuai)黏土放在(zai)(zai)手上,捏压之后不(bu)(bu)再(zai)施力,此时(shi)受(shou)力与先前放在(zai)(zai)手上可视为(wei)相同,但是却(que)已(yi)不(bu)(bu)是先前形(xing)态(tai)了,而(er)不(bu)(bu)同捏压的(de)方法,也会(hui)得(de)到不(bu)(bu)同的(de)形(xing)态(tai)。再(zai)例(li)如,在(zai)(zai)一(yi)个给定的(de)磁(ci)场(chang)中,一(yi)块(kuai)磁(ci)铁可能含有不(bu)(bu)只(zhi)一(yi)种(zhong)可能的(de)磁(ci)矩,这取(qu)决(jue)于(yu)磁(ci)场(chang)在(zai)(zai)过去(qu)的(de)状态(tai)。即(ji),磁(ci)场(chang)过去(qu)的(de)状态(tai)依(yi)然会(hui)对现在(zai)(zai)的(de)磁(ci)铁的(de)磁(ci)矩产(chan)生影响,即(ji)使磁(ci)场(chang)状态(tai)以及发生了改(gai)变。迟滞现象在(zai)(zai)铁磁(ci)体,铁电材料,橡胶管(guan)的(de)变形(xing),形(xing)状记忆合金(jin)中均可以见到。但是这种(zhong)效应(ying)第一(yi)次在(zai)(zai)活动星系(xi)核中发现。FeII线的迟(chi)滞效应可以解释为(wei)TDEFeII线起(qi)源(yuan)于(yu)刚刚从尘埃升华而来的(de)气体(ti)。而其他常见的(de)线,如(ru)线并未发现这种效应,爆(bao)发前后的响应(ying)一致。因而解释(shi)了FeII的(de)线比(bi)可(ke)以(yi)作为爱丁顿比(bi)率的(de)指(zhi)针。

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2 TDE事(shi)件中铁发射线响应(ying)的迟(chi)滞(zhi)效(xiao)应(ying)演(yan)示图

  这(zhei)项工作进一步证明了AGN中的TDE事件对于理解(jie)黑洞吸积(ji)系统具有(you)重要研究价值。我校与紫金山天文台共建(jian)的大(da)视场(chang)巡天望远(yuan)镜(WFST)预(yu)计(ji)会发(fa)现大量的(de)此类事件(jian),预(yu)计(ji)将有力推动(dong)这一领域(yu)的(de)发(fa)展。论文(wen)的(de)第一作者(zhe)兼共(gong)同通讯作者(zhe)为天(tian)文(wen)系特任副(fu)研(yan)究(jiu)员何志成。天(tian)文(wen)系副(fu)研(yan)究(jiu)员蒋凝以(yi)及(ji)王(wang)挺贵教授为论文(wen)的(de)共(gong)同通讯作者(zhe)。本项(xiang)研(yan)究(jiu)得到中(zhong)国科大青(qing)年创新重点基金,国家(jia)自(zi)然科学基金以(yi)及(ji)科技部国家(jia)重点研(yan)发(fa)项(xiang)目的(de)支持。

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