近期，由中國科學(xué)院上海天文臺(tái)博士生潘鑫、研究員李雙良、顧敏峰，浙江大學(xué)教授曹新伍，西班牙天體生物中心天文學(xué)家Giovanni Miniutti組成的合作團(tuán)隊(duì)，提出了一種新的吸積盤模型來解釋近年新觀測(cè)到的活動(dòng)星系核GSN 069中的準(zhǔn)周期爆發(fā)現(xiàn)象（QPEs）。該模型對(duì)QPEs時(shí)標(biāo)（即爆發(fā)周期）、爆發(fā)幅度與輻射譜演化過程方面的完整物理機(jī)制提供了統(tǒng)一解釋。
活動(dòng)星系核GSN 069的準(zhǔn)周期性爆發(fā)（QPEs），主要表現(xiàn)在高能波段具有極短時(shí)標(biāo)（數(shù)小時(shí)）的穩(wěn)定周期性爆發(fā)。然而從現(xiàn)有的吸積理論和以往的“統(tǒng)一模型”來看，“統(tǒng)一模型”先前對(duì)活動(dòng)星系核準(zhǔn)周期爆發(fā)現(xiàn)象爆發(fā)周期的預(yù)測(cè)往往是幾百年甚至幾千年，因此對(duì)于GSN 069這種具有數(shù)小時(shí)極短爆發(fā)周期的天體來說，“統(tǒng)一模型”無法直接給出合理解釋。QPEs的極短爆發(fā)周期與近十來年天文學(xué)家關(guān)注的變臉活動(dòng)星系核（Changing-Look AGNs）一樣，均對(duì)以往的“統(tǒng)一模型”提出了挑戰(zhàn)，而尋找這種罕見的天文現(xiàn)象背后的物理機(jī)制，能夠幫助天文學(xué)家在現(xiàn)階段難以通過望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)去分辨的情況下，進(jìn)一步理解星系核心區(qū)域的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)。
近年來，天文學(xué)家陸續(xù)發(fā)表了幾種模型來嘗試解釋QPEs，但這些模型主要集中在解釋QPEs的極短光變時(shí)標(biāo)上，對(duì)于QPEs整體的觀測(cè)性質(zhì)，比如光變輪廓、幅度與輻射譜演化目前還沒有較好的模型來進(jìn)行全面解釋。中國科學(xué)院上海天文臺(tái)牽頭的研究團(tuán)隊(duì)在以往關(guān)于變臉活動(dòng)星系核模型的結(jié)構(gòu)與QPEs光譜觀測(cè)中分析結(jié)論的基礎(chǔ)上開展研究，認(rèn)為QPEs是在某些條件下薄盤的產(chǎn)熱與冷卻無法保持平衡而產(chǎn)生的準(zhǔn)周期性爆發(fā)。對(duì)于GSN 069實(shí)際觀測(cè)與“統(tǒng)一模型”不符的時(shí)標(biāo)問題，研究人員認(rèn)為可以通過考慮吸積環(huán)境中有序大尺度磁場(chǎng)的存在來解決。
以往研究顯示，大尺度磁場(chǎng)的存在能夠有效地降低吸積盤溫度，使得吸積盤趨于穩(wěn)定，并會(huì)使得靠近黑洞部分吸積盤結(jié)構(gòu)偏離標(biāo)準(zhǔn)薄盤（內(nèi)邊界存在一個(gè)額外的力矩）。因此研究人員認(rèn)為GSN 069可能是一個(gè)具有較強(qiáng)大尺度磁場(chǎng)環(huán)境的吸積系統(tǒng)。在這種情況下，較高吸積率的吸積盤不穩(wěn)定區(qū)域會(huì)被嚴(yán)重限制在最靠近黑洞的一個(gè)高溫狹窄區(qū)域，這也是為什么觀測(cè)到的QPEs時(shí)標(biāo)會(huì)如此之短，并且只表現(xiàn)在高能波段的原因（圖2）。
研究人員通過推導(dǎo)吸積盤不穩(wěn)定區(qū)域的演化方程，并用數(shù)值計(jì)算對(duì)其進(jìn)行求解，得到了GSN 069的周期性爆發(fā)結(jié)果。通過與觀測(cè)比較，研究人員發(fā)現(xiàn)在光變的周期、輪廓、幅度，以及光譜的演化等方面，新模型均能夠很好地定性重現(xiàn)觀測(cè)結(jié)果（圖3-4）。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，新模型還能夠在光變中給出不同的“占空比”，預(yù)示了研究提出的新模型可能進(jìn)一步解釋其他的QPEs源，具有一定普遍意義（圖5）。
潘鑫表示：“就目前的QPEs觀測(cè)來說，數(shù)據(jù)樣本量還比較少，我們期待發(fā)現(xiàn)更多的QPEs源，給出更多的約束條件，以驗(yàn)證這個(gè)新模型的合理性，并進(jìn)一步完善這個(gè)模型，從而能夠更為深入地去探索活動(dòng)星系核中心正在發(fā)生的物理過程。”
相關(guān)研究成果發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志-通訊》上。 研究工作得到國家自然科學(xué)基金和中國空間站項(xiàng)目的支持。
圖1.Miniutti等人發(fā)現(xiàn)的GSN 069中的QPEs（0.4-2 keV）。a和b是牛頓空間望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的X射線波段的光變曲線，c是錢德拉空間望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的X射線波段的光變曲線
圖2.模型結(jié)構(gòu)示意圖。由于大尺度磁場(chǎng)的存在，不穩(wěn)定區(qū)域被限制在了靠近黑洞的狹窄范圍內(nèi)，即圖中橙色部分
圖3.模型光變曲線與觀測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比,可以看到模型所給出的光變爆發(fā)模式（實(shí)線）與觀測(cè)（灰點(diǎn)）能夠很好對(duì)應(yīng)
圖4.模型光譜演化與觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比。模型的光譜演化結(jié)果（虛線）與觀測(cè)數(shù)據(jù)（彩色點(diǎn)）能夠在演化趨勢(shì)上很好對(duì)應(yīng)
圖5.不同粘滯假設(shè)條件下的光變曲線。模型的在不同粘滯參數(shù)條件下能夠爆發(fā)出不同“占空比”的光變模式
來源：中國科學(xué)院上海天文臺(tái)
