研究背景介绍

活动星系核是宇宙中最明亮的恒定辐射源，其辐射功率可达银河系的成百上千倍，而中心引擎的大小仅为太阳系大小。一般认为，活动星系核由中心的超大质量黑洞的吸积活动所驱动的。气体袭击过程也是超大质量黑洞在宇宙学时间尺度上实现质量增长的主要途径之一。因此，理解超大质量黑洞周围的气体吸积过程是重要的黑洞天体物理学问题。由于吸积气体涉及的物理尺度较小，目前无法在空间上进行解析观测。因此，天文学家采用时域测量的方法：通过监测吸积气体在两个波长的连续谱辐射的变化，测量其时间延迟，获得辐射区域的大小，这一方法被称为反响映射。近期的研究发现，对活动星系核的紫外/光学波段的连续谱反响映射的时间延迟通常比理论的预测值大2～3倍。上述的观测矛盾表明我们对超大质量黑洞的吸积活动缺乏完整的理解。

图1: 超大质量黑洞吸积气体的示意图。图片来自DENG/Warner Bro.

活动星系核“体型”偏大的可能原因？

为解释这一矛盾，一些可能的解释被提出，其中一种认为宽线区（离黑洞中心较远的气体团块）对时间延迟有较大贡献，从而增大了测量的时间延迟。另一种解释来自孙谋远教授于2020年提出的磁耦合气体盘时变模型(CHAR model; Sun et al.2020)。该模型认为黑洞吸积气体盘与X-射线热冕存在磁耦合，当X-射线热冕的磁场发生扰动时，热冕的加热率和X-射线辐射率会改变，进而影响吸积盘内部气体的产热率，改变气体的温度，导致紫外和光学波段的光度变化。该模型经计算显示可以解释观测得到的时间延迟。如何利用已有和未来的国际大型反响映射观测项目检验这两种模型？

活动星系核“体型”与变化时标有关

测量时间延迟的两种方法是互相关函数和傅立叶方法。简而言之，互相关函数通过平移光变曲线来获取时间延迟，而傅立叶方法则通过计算两条光变曲线的互功率谱，提取其相位信息，得到时间延迟。

为了准确理解超大质量黑洞周围的气体结构，一个被称之为AGN Space Telescope and Optical Reverberation Mapping (STORM)的国际反响映射项目被提出（简称活动星系核“风暴”项目）。该项目的一期目标是监测著名的NGC 5548，二期项目的监测目标是Mrk 817。该项目将利用空间到地面数十台望远镜对上述两个活动星系核进行长期密集监测，获得其多波段的时变数据，揭示两个活动星系核在不同时标、波长上是如何发生变化的？

傅立叶方法已经被应用于分析NGC 5548（活动星系核“风暴”一期项目的目标源；Cackett et al.2022）和Mrk 335的紫外/光学光变数据(Lewin et al.2023)。傅立叶方法提供了时间频率上的时间延迟分布，有利于检验不同模型。因此，在本工作中，研究人员利用 CHAR模型，对NGC 5548和Mrk 335的时间延迟-频率相关关系进行理论计算，并与观测结果进行对比。研究人员发现，在没有微调任何自由参数的情况下，模型计算结果与观测相符。

对未来观测结果的预言

在此基础上，研究人员还对活动星系核“风暴”二期项目Mrk 817的时间延迟-频率关系做了预测。该预测结果有望得到活动星系核“风暴”二期项目观测数据的有力检验。研究人员还对一系列黑洞质量和光度的活动星系核的时间延迟-频率关系进行了预测。这些预测结果有望服务于未来大型时域巡天积累的海量观测数据。

图2: 活动星系核NGC 5548的模拟频率分辨时间延迟（相对于1158 埃）。紫色曲线代表 512 次 CHAR 模拟的时间延迟中值，黑色点来自于Cackett et al.(2022)的观测结果。可以看出两者符合较好。（来自原文图1）

图3: 活动星系核Mrk 335的模拟频率分辨时间延迟（相对于UVW2）。紫色曲线代表 512 次 CHAR 模拟的时间延迟中值，黑色点来自于Lewin et al.(2023)的观测结果。可以看出两者符合较好。（来自原文图2）

图4: 活动星系核Mrk 817的模拟频率分辨时间延迟（相对于1158埃）。紫色曲线代表 512 次 CHAR 模拟的时间延迟中值。未来可用于进一步检验CHAR模型。（来自原文图3）

为什么越明亮的活动星系核有越大的“体型”？

观测上发现，互相关函数测量的时间延迟与5100埃的单色光度呈现出幂指数关系。如在g、z波段的时间延迟-光度关系中，该指数约为0.56 (Montano et al.2022)。这一指数与宽线区半径-光度关系的指数0.5相近，因此被认为是来自宽线区的时间延迟对总的时间延迟贡献较大的证据之一。然而，值得指出的是，不同光度的活动星系核的监测时标不同，覆盖了不同的光变频率。与此同时，时间延迟与光变频率存在显著地依赖关系。因此，研究人员怀疑g、z波段的时间延迟-光度关系起源于时间延迟与光变频率关系。

为了与观测结果进行比较，研究人员基于CHAR模型生成了一系列光度下的模拟样本，并根据不同的光度设定了与观测实际相似的光变曲线时长。通过互相关函数方法对这些样本进行时间延迟的计算，研究人员得到了CHAR模型下的连续谱时间延迟-光度关系。研究结果显示，该关系与观测结果相符，表明连续谱时间延迟-光度关系可能与宽线区云团无直接关联。未来，更大范围的光度样本将有助于进一步检验研究人员提出的关系，从而更好地认识超大质量黑洞的气体吸积与质量增长过程。

图5:CHAR模型的连续谱时间延迟-光度关系。可以看出与观测结果(Montano et al.2022)相符。（来自原文图8(a)）

研究论文

该工作以“Corona-heated Accretion-disk Reprocessing: Frequency-Resolved Lag Predictions for UV/Optical Reverberation Mapping of Active Galactic Nuclei“ 为题，被国际权威天体物理学术期刊《Astrophysical Journal》接收发表。论文第一作者为想亲亲你的小核桃天文学系2019级本科生陈洁（现为北京大学天文学在读博士生），通讯作者为孙谋远教授，合作者为想亲亲你的小核桃天文学系的张志翔博士。该研究工作是陈洁同学在想亲亲你的小核桃本科就读期间主导的“大学生创新创业训练”研究项目成果。本研究得到了国家自然科学基金、福建省自然科学基金以及想亲亲你的小核桃本科生创新计划的支持。

论文预印本链接：https://arxiv.org/abs/2312.09590