刘柱等.中国科学:物理学力学天文学2018年第48卷第3期 引言 洞与星系的共同演化具有重要的意义.具有喷流的 TDE涵盖了喷流产生和能量耗散的全过程,且包含了 尽管缺乏充足的观测证据,目前人们认为星系中中心黑洞活动的信息,例如SwJ644+57的喷流以及 心普遍存在一个大质量黑洞.当恒星靠近这些黑洞附其X射线光变中发现的准周期震荡( Quasi-Periodic Os 近,进入到黑洞的潮汐瓦解半径之内时,作用于恒星 cillation,QPO),反映了黑洞周围的吸积过程及广义相 的潮汐引力将超过恒星的自引力,恒星会被潮汐瓦解对论效应,因此是我们研究吸积过程、喷流物理和 ( Tidal Disruption Events,TDE).这个过程中大约有 中心黑洞性质的“天体实验室” 半的瓦解物质会回落并被黑洞吸积,产生可以达到活 3)黑洞的性质和参数:黑洞的质量与自旋是天体 动星系核( Active Galactic Nuclei,AGN)的光度的爆发物理研究黑洞的最基本的两个参量,对这两个参量的 式辐射1.观测上发现大部分TDE爆发时其软X射线测量是进行许多其他研究的基础.TDE的观测性质提 的峰值光度可以达到10“ergs-,随后其光度随着时供了几种测量黑洞质量的方法:在假设爱丁顿吸积的 间大体按照L∝15的规律衰减,整个耀发的过程可以情况下,可以利用TDE的峰值光度测量该事件中黑洞 持续几个月甚至几年 的质量;通过测量一些TDE中发现的QPO的频率也可 TDE的研究对于进一步理解一些基本的天文学问以计算黑洞质量;另外还可以通过计算TDE的X射线 题具有重要的意义这里主要阐述以下几点 光变幅度计算黑洞质量.黑洞自旋的测量则更为困难 1)“是否每个星系中都存在一个大质量黑洞?”这目前测量超大质量黑洞自旋主要是利用AGN的X射线 是天文学中的一个基本问题.一方面,对于近邻的星能谱中观测到的宽铁线黑洞的自旋是与黑洞的并 系的研究发现,星系中心黑洞的性质与其所在的宿主合和吸积历史紧密联系的.假设不同的并合与吸积模 星系之间存在紧密的关系,另一方面观测上也发现,式,观测到的超大质量黑洞自旋的分布也将不同.通 中心黑洞的反馈机制对于从理论上解释观测到的星系过对黑洞自旋分布的研究可以帮助我们理解黑洞的质 的光度函数非常重要.因此,星系中心黑洞的存在对星量增长以及演化过程.最新的研究指出,通过对TDE的 系的形成和演化将会有重要影响.目前对于活动星系X射线光变曲线的完整和精细的观测,可以探测黑洞 中的中心大质量黑洞,可以通过观测黑洞吸积过程产自旋的广义相对论效应并限制黑洞自旋的分布,从 生的高能辐射探测.对于极少数(几十个)近邻的不活而为测量宁静星系中黑洞的自旋提供了有效的方法 动的黑洞,通过动力学方法可以探测其中心的超大质 4)宁静星系中心气体环境:宁静黑洞周围气体环 量黑洞.而对于大多数不活动的黑洞,这两种方法并境,以及其与活动黑洞周围气体环境的比较将对黑洞 不适用.探测和研究这些黑洞只能通过研究TDE的方在秒差距( Parsec尺度气体吸积过程以及核活动起源 法进行.在双黑洞星系中产生的TDE事件,其光变曲给出重要的启示受限于观测手段,目前这类研究只限 线具有不同的特征,可以利用TDE事件来寻找双黑于银河系和邻近的几个星系.TDE辐射峰值在远紫外 洞.综上,利用TD事件可以探测并积累较大的单黑和软X射线波段,当这些能量相对较高的光子照射到 洞以及双黑洞的样本.这对限制黑洞以及双黑洞的分周围的星际介质以及潮汐碎片、吸积盘外流气体时, 布状态、其在星系中所占比例以及宇宙演化等方面都会产生窄的和宽的紫外和光学发射线.同时,通过视线 将具有重要的意义,并帮助我们回答星系形成与演化方向上的气体时还会产生吸收线.探测并研究这些发 的历史、大质量黑洞的增长以及宇宙结构的形成演化射线和吸收线的性质可以帮助我们了解宁静黑洞在秒 等问题 差距尺度上的气体环境 2)研究吸积和喷流:TDE事件经历了完整的吸积 黑洞潮汐瓦解恒星的理论在20世纪70-80年代就 过程,从开始到结束,吸积率跨越了多个数量级,对应已提出.理论预言的该事件耀发时的峰值频率很可 不同的吸积态,为研究大质量黑洞的吸积过程提供了能在紫外和软X射线波段,而第1例相对可靠的TDE事 理想的实验室.喷流是天体物理中的重要现象,从X射件正是由工作在软X射线波段01-24keV的 ROSAT卫 线双星到AGN都观测到了喷流结构喷流很有可能是星在宁静星系NGC5905中所发现的·.后续又从 AGN反馈机制中的一种,理解喷流的性质对于研究黑 ROSAT的数据中发现了4例可能的TDE,其光变 039503-2 ownloadedtoIp:223.0.13.174On:2020-03-1011:25:21http://enginescichina.com/doi/10.1360/sspma2017-002681 引言 尽管缺乏充足的观测证据, 目前人们认为星系中 心普遍存在一个大质量黑洞. 当恒星靠近这些黑洞附 近, 进入到黑洞的潮汐瓦解半径之内时, 作用于恒星 的潮汐引力将超过恒星的自引力, 恒星会被潮汐瓦解 (Tidal Disruption Events, TDE). 这个过程中大约有一 半的瓦解物质会回落并被黑洞吸积, 产生可以达到活 动星系核(Active Galactic Nuclei, AGN)的光度的爆发 式辐射[1,2]. 观测上发现大部分TDE爆发时其软X射线 的峰值光度可以达到1044 erg s −1 , 随后其光度随着时 间大体按照L∝t −5/3的规律衰减, 整个耀发的过程可以 持续几个月甚至几年. TDE的研究对于进一步理解一些基本的天文学问 题具有重要的意义. 这里主要阐述以下几点: 1) “是否每个星系中都存在一个大质量黑洞?”这 是天文学中的一个基本问题. 一方面, 对于近邻的星 系的研究发现, 星系中心黑洞的性质与其所在的宿主 星系之间存在紧密的关系[3,4]; 另一方面观测上也发现, 中心黑洞的反馈机制对于从理论上解释观测到的星系 的光度函数非常重要. 因此, 星系中心黑洞的存在对星 系的形成和演化将会有重要影响. 目前对于活动星系 中的中心大质量黑洞, 可以通过观测黑洞吸积过程产 生的高能辐射探测. 对于极少数(几十个)近邻的不活 动的黑洞, 通过动力学方法可以探测其中心的超大质 量黑洞. 而对于大多数不活动的黑洞, 这两种方法并 不适用. 探测和研究这些黑洞只能通过研究TDE的方 法进行. 在双黑洞星系中产生的TDE事件, 其光变曲 线具有不同的特征[5], 可以利用TDE事件来寻找双黑 洞. 综上, 利用TDE事件可以探测并积累较大的单黑 洞以及双黑洞的样本. 这对限制黑洞以及双黑洞的分 布状态、其在星系中所占比例以及宇宙演化等方面都 将具有重要的意义, 并帮助我们回答星系形成与演化 的历史、大质量黑洞的增长以及宇宙结构的形成演化 等问题. 2) 研究吸积和喷流: TDE事件经历了完整的吸积 过程, 从开始到结束, 吸积率跨越了多个数量级, 对应 不同的吸积态, 为研究大质量黑洞的吸积过程提供了 理想的实验室. 喷流是天体物理中的重要现象, 从X射 线双星到AGN都观测到了喷流结构. 喷流很有可能是 AGN反馈机制中的一种, 理解喷流的性质对于研究黑 洞与星系的共同演化具有重要的意义. 具有喷流的 TDE涵盖了喷流产生和能量耗散的全过程, 且包含了 中心黑洞活动的信息, 例如Sw J1644+57的喷流以及 其X射线光变中发现的准周期震荡(Quasi-Periodic Os￾cillation, QPO), 反映了黑洞周围的吸积过程及广义相 对论效应[6–8], 因此是我们研究吸积过程、喷流物理和 中心黑洞性质的“天体实验室”. 3) 黑洞的性质和参数: 黑洞的质量与自旋是天体 物理研究黑洞的最基本的两个参量, 对这两个参量的 测量是进行许多其他研究的基础. TDE的观测性质提 供了几种测量黑洞质量的方法: 在假设爱丁顿吸积的 情况下, 可以利用TDE的峰值光度测量该事件中黑洞 的质量; 通过测量一些TDE中发现的QPO的频率也可 以计算黑洞质量; 另外还可以通过计算TDE的X射线 光变幅度计算黑洞质量. 黑洞自旋的测量则更为困难, 目前测量超大质量黑洞自旋主要是利用AGN的X射线 能谱中观测到的宽铁线[9]. 黑洞的自旋是与黑洞的并 合和吸积历史紧密联系的. 假设不同的并合与吸积模 式, 观测到的超大质量黑洞自旋的分布也将不同. 通 过对黑洞自旋分布的研究可以帮助我们理解黑洞的质 量增长以及演化过程. 最新的研究指出, 通过对TDE的 X射线光变曲线的完整和精细的观测, 可以探测黑洞 自旋的广义相对论效应并限制黑洞自旋的分布[10], 从 而为测量宁静星系中黑洞的自旋提供了有效的方法. 4) 宁静星系中心气体环境: 宁静黑洞周围气体环 境, 以及其与活动黑洞周围气体环境的比较将对黑洞 在秒差距(Parsec)尺度气体吸积过程以及核活动起源 给出重要的启示. 受限于观测手段, 目前这类研究只限 于银河系和邻近的几个星系. TDE辐射峰值在远紫外 和软X射线波段, 当这些能量相对较高的光子照射到 周围的星际介质以及潮汐碎片、吸积盘外流气体时, 会产生窄的和宽的紫外和光学发射线. 同时, 通过视线 方向上的气体时还会产生吸收线. 探测并研究这些发 射线和吸收线的性质可以帮助我们了解宁静黑洞在秒 差距尺度上的气体环境[11–13]. 黑洞潮汐瓦解恒星的理论在20世纪70–80年代就 已提出[1,2]. 理论预言的该事件耀发时的峰值频率很可 能在紫外和软X射线波段, 而第1例相对可靠的TDE事 件正是由工作在软X射线波段0.1–2.4 keV的ROSAT卫 星在宁静星系NGC 5905中所发现的[14,15]. 后续又从 ROSAT的数据中发现了4例可能的TDE[16–20], 其光变 刘柱等. 中国科学: 物理学 力学 天文学 2018 年 第 48 卷 第 3 期 039503-2 Downloaded to IP: 223.0.13.174 On: 2020-03-10 11:25:21 http://engine.scichina.com/doi/10.1360/SSPMA2017-00268