新模型的诞生：这些星系的中心发生了什么？
2022/7/26 7:00:00 科学大院
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我们所在的银河系是个中心稳定的星系，而与之相对，宇宙中还存在着一种中心十分活跃的星系。近些年，科学家们发现，有些活跃星系的亮度会发生变化：会在较短时间内变得很亮或很暗或者是往复变化，有的还会出现具有很强周期性的亮度爆发——这就是目前学术界讨论火热的“变脸活动星系核”与“准周期性爆发”。
这些“奇怪“现象出现后对经典”统一模型“形成了巨大挑战。近日，笔者所在的团队提出了一个新的模型(点击文末“阅读全文”直达论文)，从多个方面解释了 “准周期性爆发”这一“奇怪”现象。
“类星”不是星，活动星系的发现
现在普遍认为，几乎每个星系的中心都存在一个超大质量黑洞。我们银河系中心就存在一个被称为Sgr A*的超大质量黑洞，它的质量约为太阳的430万倍。
中心活跃的星系中央超大质量黑洞附近存在着大量的尘埃与气体。这些尘埃与气体在中央黑洞的引力作用下会形成一个巨大的吸积盘，物质在其中相互“摩擦”损失角动量并最终落入黑洞。由这种“摩擦”产生的热量能让吸积盘轻松地达到数十万度甚至更高的温度，使得吸积盘辐射远超星系中所有恒星辐射的总和，从而整个星系的光度由其核心主导，非常明亮。
这类星系被天文学家称为“活动星系”或“活动星系核”。
它们的发现故事要从二战说起。
二战期间，大量的军事通讯任务需要使用无线电，而在此期间英国的军事人员发现了许多来自于太阳的干扰信号。很快就有人想到，既然通讯过程能受到太阳的干扰，也就表明这些设备同样也能被用来观测太阳。战后，这些军事雷达技术被应用到天文学上，开启了天文学的射电观测分支。为了克服单天线观测的短板，英国剑桥大学在上世纪50年代建立了射电干涉阵列，专门用于搜寻宇宙中的射电源，而天文领域中著名的3C射电星表就产自于这个阵列的观测。
剑桥的3C星表共有471个目标源，随后科学家们对这个星表的源进行了光学的对应观测。1960年，马修斯和桑德奇在寻找3C 48的光学对应体时发现，这个对应体看起来类似一颗恒星，但与普通恒星相比，“颜色”看起来更蓝。后续的光谱观测表明，其中散布着很多以前没有见过的发射线。要知道，不同种类的原子发射线都是独特的，难道它的光是我们不知道的原子发射出来的吗？
三年后，施密特发现，这些奇怪的发射线其实就是我们所熟知元素的发射线，只不过它们都变得更“红”了。而这种奇怪的“星星”就是大名鼎鼎的20世纪60年代天文学四大发现之一——类星体。后来天文学家们意识到，之所以类星体的发射线会变“红”，是因为这些“星星”离地球非常遥远，由于宇宙在“膨胀”，离我们越远的天体看起来远离我们的速度就越快。这些遥远类星体所发出的光子经过长途跋涉被望远镜接收到时，频率已经变低，即发生了红移。
实际上，这些遥远的“星星”也不是像太阳一样的恒星，而是一个个核心非常活跃而异常明亮的星系，因此才能够被我们看到。之后科学家们还观测到了好几类明亮星系，它们像类星体一样有着一个活跃的星系核心，共同组成了前面所说的一大星系类别——“活动星系核”。
活动星系核由什么组成？具有怎样的物理性质？这就需要天文学家通过望远镜观测活动星系核的辐射特征，并结合天体物理的知识来给出答案。
它们为什么这么亮？
活动星系核的核心区域十分明亮，通常能够与整个星系恒星的亮度相比拟甚至更高，因此探究这些活跃核心的能量来源就成了研究活动星系核的一个重要问题。
现在大家都知道太阳的能量是核聚变产生的[1]，核反应过程一度被认为是天体中最高效的产能机制。但是类星体的发现让人们开始怀疑，核反应过程是否能主导宇宙中的剧烈活动。
在观测上，科学家们注意到某些情况下类星体的亮度能在几天甚至更短的时间内发生剧烈变化。而在天文学中亮度发生变化的时间是与发光区域的尺度相关的，由此可以简单地估计类星体的发光区域可能与太阳系大小相当。但是通过距离与亮度来推测，它的辐射功率又特别大，是银河系辐射功率的成百上千倍。
科学家推测，一些典型类星体如果所有辐射由核聚变供能，这将至少需要“燃烧”一个千万倍于太阳质量的巨大天体，所以核聚变难以满足类星体的巨大能量需求。但是如果换一种释放能量的方式，假设存在这样一个质量的天体从无穷远处通过引力收缩，落入到如此狭小的区域，这个过程所释放的引力能又能轻松超过观测所推测的能量。于是科学家们又将注意力转向了引力能的释放，随后结合黑洞物理，发展出了黑洞吸积盘理论来解释类星体的能量问题。
可以简单估计，通过氢核聚变来释放原子能的产能效率大致为物质静止质量的0.7%，而对于极端克尔黑洞(转动的黑洞)通过吸积物质来释放引力能，最高的产能效率能到42%。此外，类星体的吸积系统不是孤立的，物质可以源源不断地从外围区域进入吸积盘，从而能够持续地提供高光度辐射的能源需求。
上世纪90年代，科学家们通过数十年的研究总结将各类活动星系核都统一到一个物理图像，建立了所谓的“统一模型”。这个理论告诉我们，不论是哪一类活动星系核，主要能量都来自于星系中央的超大质量黑洞的吸积过程。
活动星系的 “统一模型”遭到挑战
在“统一模型”中，活动星系核的中央有着一个超大质量黑洞，黑洞周围有着明亮的吸积盘。此外，在黑洞附近还存在其它结构，例如宽发射线区域、窄发射线区域、尘埃环区域等，分别主导着观测中不同波段以及不同谱线的辐射。当我们观测不同目标源，我们的视线相对于吸积系统的夹角不同时(如图1所示)，观测上就得到了不同活动星系核类型的观测结果，这与小学《画杨桃》课文里的描述有几分类似。
图 1 统一模型示意图[2]。从不同的视角观测不同辐射功率的活动星系核时，将会得到不同的观测类型。需要注意的是，对于有喷流的活动星系核通常是对称两边都会存在，示意图中上面是存在喷流的分类，下面是不存在喷流时的分类。
早在上世纪70年代，吸积盘模型中发展出了一个“标准薄盘”模型，预测了吸积盘会在某些条件下产生不稳定爆发，这种爆发在理想情况下是周期性的(如图2示意图所示)。
图 2 吸积盘不稳定爆发示意图。图中央位置为黑洞，周围是吸积盘，盘颜色越黄表示温度越高，越蓝表示温度越低。可以看到吸积盘不稳定爆发时盘内区温度急剧升高，随后物质迅速落入黑洞，变为一个几近空的区域，然后外区物质逐渐向内填充恢复初始状态。
而在实际观测中，科学家们只在少量恒星级黑洞吸积系统中发现了这种周期性光变。对于超大质量黑洞吸积系统，理论估计这个爆发的周期将会增长至百年千年的量级，我们目前的观测历史无法观测到完整的爆发过程，事实上科学家们长时间以来也确实没有发现活动星系核的周期性剧烈光变。
直到近十来年，科学家们发现，在光学波段有的活动星系核在几年的时间里会突然变得很亮或很暗，还有一些甚至出现往复变化。不仅如此，其中用来划分活动星系核类型的发射线特征也同步发生着变化，这种现象目前被形象地称为“变脸活动星系核”。“变脸活动星系核”的出现无疑给了“统一模型”一个巨大的挑战：一方面“统一模型”难以解释为什么活动星系核能产生这么快的剧烈变化；另一方面也难以解释发射线特征变化的原因。目前学术界对其产生机制尚未形成统一定论。
2019年，西班牙天文学家Giovanni Miniutti等人在《自然》杂志上发表了一个关于活动星系核GSN 069准周期性(周期并非严格相等)爆发的观测结果[3]，这是首次在活动星系核发现的准周期性剧烈光变，这个爆发发生在X射线波段，周期极短且稳定(周期大约9个小时，X射线的亮度变化如图4中的灰点所示)。而到目前为止，已经在5个目标源中发现了活动星系核的准周期性爆发现象。这些准周期爆发现象的出现无疑让“统一模型”雪上加霜。
引入磁场，新模型解释“准周期性爆发”
为了解释准周期性爆发，科学家们已经提出了若干个模型。例如由于某些原因，在超大质量黑洞附近绕转的恒星周期性地溢出物质落入黑洞[4]，或者有恒星在黑洞附近绕转，但绕转平面与吸积盘平面不重合，从而会周期性地撞击吸积盘[5]等等。但是这些模型都主要是解释准周期爆发的周期，很难统一地去解释更为精细的观测结果，例如具体的亮度变化过程以及变化期间目标源的光谱结构与演化。
近日，为了更全面地解释活动星系核的准周期性爆发，笔者所在的团组提出了一个新的吸积盘模型(如图3所示)。
我们认为，在吸积盘所处的环境中存在着有序大尺度磁场，这些磁场将会带走吸积盘上的一些物质，让吸积盘变得更“凉爽”从而不容易产生大范围爆发，也让吸积盘里的物质向黑洞流动得更快了。这样在发生不稳定爆发时，就只有吸积盘最里面的一小部分被“清空”，然后外面的物质再快速地落入这一“空”的区域，使吸积盘更快地恢复原貌。因为需要恢复的区域相对于没有磁场的“标准薄盘”要小很多，而且恢复的时候物质填充的速度也更快了。如此一来，新模型所给出的周期变化的时标就可以从“标准薄盘”的百年千年缩减到了满足观测的几个小时。
图 3模型结构示意图。由于大尺度磁场的存在，不稳定区域被限制在了靠近黑洞的狭窄范围内，即图中橙色部分
因为新模型能够完整地描述并计算吸积盘不稳定爆发的整个过程，这样就能根据模型推算出活动星系核在不同时间的辐射变化情况，即能够同时给出模型预测的亮度变化与光谱演化，可以全面地与已有观测进行对比。
通过与GSN 069的观测进行对比，我们发现模型在光变的周期、轮廓、幅度，以及光谱的演化等方面都能够很好地符合观测结果(如图4，5所示)，即给出了一个较为全面的解释，这是之前所提出的其它模型无法做到的。此外我们还对模型进行了扩展分析，发现这个模型具有一定的普遍意义。
图 4模型光变曲线与观测数据的对比。可以看到模型所给出的光变爆发模式(实线)与观测(灰点)能够很好对应，彩色部分被用于计算图5中的光谱演化。
图 5模型光谱演化与观测数据对比。模型的光谱演化结果(虚线)与观测数据(彩色点)在演化趋势上能够很好地对应。
新模型的主要假设就是吸积系统所处环境存在着有序大尺度磁场。事实上，在广袤的宇宙中磁场是无处不在的，科学家在观测上看到一些活动星系核中存在喷流，这是一个对吸积系统环境存在磁场的有力证据。而近两年科学家对M87黑洞边缘的磁场成像也直接证明了其吸积盘是处在有序大尺度磁场当中的[6]。
可以说，新模型是让“统一模型”加入了一个符合目前人们所观测到的物理条件，即对“统一模型”进行了一个“修补”。从结果上来看，这个假设给目前“统一模型”所遇到的疑难提供了一个物理上可行的解决方案，我们很期待未来能够观测到更多的活动星系核的准周期爆发现象，以便能更好地去检验我们的模型，从而更好地理解这些星系中最活跃的地方到底发生着些什么。
参考文献：
[1] 田海俊. “生命”的轮回:生于尘埃,归于尘土|恒星的一生 https://mp.weixin.qq.com/s/Kff4fZn3GPgTWHSOMag3Mg
[2] Urry C M, Padovani P. Unified schemes for radio-loud active galactic nuclei[J]. Publications of the Astronomical Society of the Pacific, 1995, 107(715): 803.
[3] Miniutti G, Saxton R D, Giustini M, et al. Nine-hour X-ray quasi-periodic eruptions from a low-mass black hole galactic nucleus[J]. Nature, 2019, 573(7774): 381-384.
[4] Metzger B D, Stone N C, Gilbaum S. Interacting Stellar EMRIs as Sources of Quasi-periodic Eruptions in Galactic Nuclei[J]. The Astrophysical Journal, 2022, 926(1): 101.
[5] Xian J, Zhang F, Dou L, et al. X-Ray Quasi-periodic Eruptions Driven by Star–Disk Collisions: Application to GSN069 and Probing the Spin of Massive Black Holes[J]. The Astrophysical Journal Letters, 2021, 921(2): L32.
[6] Akiyama K, Algaba J C, Alberdi A, et al. First M87 event horizon telescope results. VII. Polarization of the ring[J]. The Astrophysical Journal Letters, 2021, 910(1): L12.
作者单位：中国科学院上海天文台
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