云南天文台在活动星系核宽线区结构和动力学研究中取得进展
宽发射线是活动星系核最显著的观测特征之一，其辐射区域被称为宽线区。一般认为，宽线区由大量电离气体组成，这些气体在中心超大质量黑洞的引力束缚下高速运动，从而产生显著的宽发射。因此，研究这些气体的空间分布和动力学形式对于理解活动星系核的内部结构及精确测量黑洞质量具有重要意义。
由于宽线区的尺度非常小且距离遥远，直接对其进行空间分辨观测极为困难。目前，只有装配在欧洲南方天文台的四台8.2米望远镜上的GRAVITY设备通过干涉技术获得了几个活动星系核的部分空间信息。更常用、更有效的方法是反响映射技术。该方法基于光致电离模型，通过分析发射线变化相对于电离连续谱变化的时间延迟来测量宽线区的尺度。光致电离模型认为，宽线区的气体被来自中心吸积盘的软X射线和紫外光子照射而电离，然后通过离子与自由电子的复合产生发射线。由于吸积盘与宽线区之间存在一定距离，当电离连续谱强度发生变化时，宽发射线会产生相应的滞后变化，这一滞后时间正是光从中心传播到宽线区的时间。
考虑到宽线区的气体速度与其所在位置有关，人们可以进一步测量不同速度处发射线的时间延迟，从而反演出宽线区的几何结构和动力学信息。这种技术被称为速度分辨的反响映射。如图1所示，当宽线区气体沿着圆形轨道以开普勒运动时，相对于观测者视线方向红移和蓝移的气体应基本对称。如果气体云还存在径向内流或外流的速度，那么红移气体应靠近或远离观测者，导致时间延迟变短或变长。这也是目前大多数研究工作对速度分辨反响映射测量结果的解释。然而，如果宽线区本身具有椭圆形，黑洞位于椭圆形的一个焦点上，即使所有气体仍遵循开普勒运动，位于远心点的气体时间延迟将天然地比近心点长。因此，实际速度分辨反响映射的测量结果会受到宽线区本身结构和动力学简并的影响。
研究人员提出，通过测量宽线区不同位置处气体的电离性质，也可以研究其几何结构和动力学属性，并将这种方法命名为“电离映射”。由于不同距离处的气体受到的入射光子水平不同，通过分析这些位置上气体的电离状态，我们可以推断出这些气体到中心的距离，从而刻画宽线区结构和动力学性质。气体的电离性质通常通过发射线流量比值来示踪。李莎莎和封海成等人通过比较不同巴尔末线比值（也称为巴尔末减缩值）与连续谱强度，发现两者存在明显的反相关关系，进而推断出距离中心越远的气体应探测到更大的巴尔末减缩值。这是因为随着距离的增加，中心电离源辐射的连续谱会呈指数下降，导致气体受到的入射连续谱水平迅速降低。该方法不依赖于光的传播路径，与反响映射方法结合使用，可以有效打破宽线区几何结构和动力学之间的简并性。通过比较宽发射线不同速度处的时间延迟和巴尔末减缩值，研究人员发现两者存在良好的相关性（如图2所示），表明时间延迟较长的区域可能确实距离中心更远。这意味着活动星系核的宽线区比我们此前预期的更加复杂，亟需发展更详细的物理模型来解释。
相关工作以“Velocity-Resolved Ionization Mapping of Broad Line Region. I. Insights into Diverse Geometry and Kinematics”为题，于2024年8月28日在国际天文学期刊《天体物理学杂志》（The Astrophysical Journal）上发表。论文合作者来自中国科学院云南天文台、中国科学院上海天文台、中国科学院国家天文台、北京大学和郑州大学等多家研究单位。其中，云南天文台博士后李莎莎为该论文第一作者、封海成博士和刘洪涛研究员为通讯作者。
该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、云南省科技计划、中国载人航天工程巡天空间望远镜专项科学研究经费支持。
图1：宽线区不同几何结构和动力学下速度分解反响映射观测现象示意图。左上角是开普勒圆盘状宽线区；右上角和左下角分别是在开普勒运动基础上具有内流和外流动力学特征的圆盘状宽线区；左下角是开普勒椭圆盘状宽线区。每一个图白色虚线是气体的运动轨迹，黑点是中心黑洞，绿色线代表光子的运动轨迹，红色和蓝色分别代表相对观测者的红移和蓝移。
图2：上图是Hα发射线不同速度处的时间延迟和流量比（巴尔末减缩），下图是它们的相关关系。