云南天文台在活动星系核宽线区结构和动力学演化研究中取得重要进展
近日，中国科学院云南天文台南方基地的封海成博士、李莎莎博士及其合作者在活动星系核宽线区结构和动力学演化研究方面取得了重要进展。相关研究论文以“Velocity-resolved Reverberation Mapping of Changing-look Active Galactic Nucleus NGC 4151 during Outburst Stage. II. Four Season Observation Results”为题，于11月21日发表在国际天文学期刊《天体物理学杂志》（The Astrophysical Journal）上。
在活动星系核的紫外和光学光谱中，存在许多宽度超过1000公里每秒的宽发射线，其辐射区被称为宽线区。宽线区中的气体速度极高，并在中心吸积盘高能光子的光致电离作用下产生宽发射线。研究宽线区的结构和动力学性质不仅可以帮助我们精确测量中心超大质量黑洞的质量，还能揭示活动星系核内部的物理过程。然而，宽线区的复杂运动学和空间分布长期以来未被完全理解。
一般认为，宽线区的气体既可能在中心黑洞引力下作维里化运动或内流运动，也可能在辐射压力的作用下产生外流运动。按照这一理论预期，高吸积率活动星系核中的宽线区应更容易表现出外流特性。但是，观测结果却未能证实这种现象。一种可能的解释是，宽线区的电离性质因源而异，导致辐射压力的影响存在显著差异。为解决这一问题，封海成等人提出，通过对单个活动星系核在不同亮度状态下的宽线区结构和动力学性质进行观测，可以更有效地排除不同源之间差异的干扰。
从2020年起，研究团队利用丽江天文观测站的2.4米望远镜对著名的变脸活动星系核NGC 4151进行了为期4年的反响映射观测。研究结果显示，NGC 4151的多条宽发射线存在显著的分层现象，即不同发射线起源于宽线区中不同的半径范围。此外，他们还发现在NGC 4151中存在异常的“反呼吸效应”。
按照传统理论，活动星系核亮度增加时，宽线区半径应随之扩展，从而导致宽发射线的时间延迟增加（即“呼吸效应”）。然而，NGC 4151的观测结果却显示宽发射线的时间延迟随着亮度的增加而缩短，这一“反呼吸效应”可能与活动星系核紫外-光学光变之间的时间延迟有关。通过进一步的速度分辨时间延迟分析，研究团队发现，NGC 4151宽线区的几何结构和动力学性质在不到一年的时间尺度上发生了显著变化（如图1所示）。这种快速变化无法单纯用宽线区的不均匀分布、辐射压力变化或电离辐射场的变化来解释，这表明宽线区的物理特性比以往认识的更加复杂，可能受到多种机制的共同驱动。
该研究成果不仅深化了人们对宽线区动力学和几何结构演化的理解，也为未来利用长时间尺度、多波段观测研究活动星系核内部结构提供了重要借鉴。研究团队计划在后续工作中，结合高时间分辨率的观测数据，进一步分析宽线区与吸积盘之间的相互作用，揭示其动力学演化的物理机制。
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：不同观测季速度分辨时间延迟。从左至右依次展示了Hα、Hβ和Hγ的测量结果。每个图中的下半部分为均方根谱，上半部分为不同速度区间的时间延迟（由红色虚线分隔）。蓝色阴影区域表示该发射线整体的时间延迟及其不确定性范围。