李志远教授团队证实低光度活动星系核中存在高速外流

    宇宙中大多数正常星系的中央存在着一个超大质量黑洞。黑洞强大的引力吸引周围的介质下落,逐渐形成一个被称为吸积盘的薄盘状流体结构。介质在流入黑洞的过程中释放引力势能,部分转化为内能、动能和电磁波辐射。当黑洞吸积物质的速率低于某个临界值时,温度较低的吸积盘会被一个称为热吸积流的流体结构取代。热吸积流的温度可高达数十亿度,但同时密度较低,很难有效产生辐射,在此条件下的黑洞表现为一个低光度的星系核,我们银河系中心的黑洞就是一个典型的例子。

    近年来的理论与数值模拟研究表明,进入热吸积流的介质并非全部流入黑洞,其中大部分反而会在接近黑洞的旅程中逐渐改变运动方向,直至形成一个高速的双极外流并最终脱离黑洞的引力约束。这一被称为热吸积流风的外流不仅是黑洞吸积过程的基本要素,也被认为是超大质量黑洞影响宿主星系演化的重要机制之一。然而,尽管热吸积流风的存在性与重要性在前沿的理论研究中得到了广泛支持,迄今仍缺乏对其的直接观测证据。

    南京大学天文与空间科学学院李志远、施方正与中科院上海天文台袁峰课题组紧密合作,通过分析钱德拉X射线卫星对一个名为M81*的典型低光度星系核所拍得的高分辨率X射线光谱,证认出了由温度高达1.3亿度的热等离子体所产生的类氢铁离子的莱曼阿尔法发射线。该发射线呈现出相对于静止系波长红蓝移的准对称双峰结构,对应的视向速度约达百分之一光速,很可能起源于高温高速的双极外流。


a为黑洞周围热吸积流产生风(浅蓝色区域)的示意图;图b/c展示了磁流体模拟得到的风的温度与密度分布图;图d表明M81*X射线光谱与磁流体模拟预言的光谱相吻合。


    研究团队进一步利用磁流体数值模拟构建了M81*热吸积流及其驱动的风,并发现模型风的X射线光谱与观测到的铁离子发射线特征高度符合。模型风所携带的动量与机械能足以影响黑洞周围的星际环境,表明热吸积流风确实是超大质量黑洞在低吸积率条件下对宿主星系进行能量反馈的重要载体。

    该项研究成果以“An Energetic Hot Wind from the Low-luminosity Active Galactic Nucleus M81*”为题在最新一期Nature Astronomy上发表。博士生施方正为该论文第一作者,李志远教授和袁峰研究员为共同通讯作者。该工作得到了科技部重点研发计划与国家自然科学基金的资助。

 

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41550-021-01394-0