中国科大首次发现黑洞潮汐撕裂恒星事件中光学铁发射线的迟滞效应

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2021年1月28日在线发表在国际知名学术期刊《天体物理快报》 （The Astrophysical Journal Letters）上。

图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）

星系中心普遍存在超大质量黑洞，当它处于高速吸积增长阶段，就表现为活动星系核（AGN）。多成分混合的铁发射线（FeII）是AGN紫外和光学光谱最重要的特征之一。观测上发现，光学FeII强度与爱丁顿比率存在很好的相关性，可以作为爱丁顿比率的指针。而爱丁顿比率是描述黑洞吸积系统以及构建黑洞活动主序关系最重要的物理量之一。然而，由于铁线能级的复杂性，到目前为止人们对于铁线的产生机制和区域都不清楚，严重制约了我们对AGN的理解。

近些年蓬勃发展的时域巡天还发现了一批区别于AGN的黑洞暂现吸积事件，称作黑洞潮汐撕裂恒星事件（TDE）。在AGN中如果发生TDE（图1），黑洞吸积率会在月到年时标发生远比一般AGN剧烈的变化，提供了一个极佳的机会研究发射线对中心辐射的响应，进而了解AGN的结构。研究团队前期的工作在PS16dtm和PS1-10adi等著名事件中探测到了超强的尘埃环红外回响的信号，且早期阶段伴随尘埃升华过程，由此猜测尘埃中的铁元素被释放进入气态，进而产生了观测到的增强的FeII辐射。

研究团队本次通过仔细分析PS1-10adi在不同阶段的光谱，首次发现光学FeII线对中心辐射的异常响应（TDE爆发前后FeII响应具有不同的幂律指数，图2）。在相同的中心光度下，爆发后的FeII强度高于爆发前，表明爆发过程中产生铁的气体量确实增加了。当中心光度衰减到爆发前水平时，FeII的强度并没有回到爆发前的水平，而是高于爆发前，这是一种迟滞效应（Hysteresis Effect）。这种效应在很多领域都常见，是一类路径依赖的效应，即系统的状态，不仅与当下系统的输入有关，更会因其过去输入过程之路径不同，而有不同的结果。例如一块黏土放在手上，捏压之后不再施力，此时受力与先前放在手上可视为相同，但是却已不是先前形态了，而不同捏压的方法，也会得到不同的形态。再例如，在一个给定的磁场中，一块磁铁可能含有不只一种可能的磁矩，这取决于磁场在过去的状态。即，磁场过去的状态依然会对现在的磁铁的磁矩产生影响，即使磁场状态以及发生了改变。迟滞现象在铁磁体，铁电材料，橡胶管的变形，形状记忆合金中均可以见到。但是这种效应第一次在活动星系核中发现。FeII线的迟滞效应可以解释为TDE中FeII线起源于刚刚从尘埃升华而来的气体。而其他常见的线，如Hβ线并未发现这种效应，爆发前后Hβ的响应一致。因而解释了FeII与Hβ的线比可以作为爱丁顿比率的指针。

图2 TDE事件中铁发射线响应的迟滞效应演示图

　　这项工作进一步证明了AGN中的TDE事件对于理解黑洞吸积系统具有重要研究价值。我校与紫金山天文台共建的大视场巡天望远镜（WFST）预计会发现大量的此类事件，预计将有力推动这一领域的发展。论文的第一作者兼共同通讯作者为天文系特任副研究员何志成。天文系副研究员蒋凝以及王挺贵教授为论文的共同通讯作者。本项研究得到中国科大青年创新重点基金，国家自然科学基金以及科技部国家重点研发项目的支持。