Спектральная энергия ставит под сомнение устоявшиеся теории

Астрономы обнаружили, что на спектральное распределение энергии квазара не влияет его яркость, бросив вызов традиционным теориям и подчеркнув роль ветров аккреционного диска.

Доцент Женье Цай и профессор Цзюньсянь Ван с факультета астрономии Университета науки и технологий Китая (USTC) Китайской академии наук (CAS) в ходе изучения оптического и крайне ультрафиолетового излучения, генерируемого накоплением ультрафиолетового излучения, обнаружили сверхмассивные черные дыры в центрах квазаров имеют спектральное распределение энергии, которое не зависит от внутренней яркости квазаров, что разрушает общепринятые представления в этой области.

Кроме того, их исследование выявило значительную разницу в среднем распределении энергии квазаров в среднем максимальном УФ-спектре от предсказаний классической теории аккреционного диска. Это открытие бросает вызов классической модели и обеспечивает значительную поддержку моделям, которые включают в себя крупномасштабные ветры аккреционного диска. Результаты были опубликованы онлайн 5 октября 2023 года в Природная астрономия.

Рисунок 1: Художественная иллюстрация сверхмассивной черной дыры, накапливающей газ и сияющей в аккреционный диск. Источник изображения: НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт.

Квазарный фон

Квазары — это класс чрезвычайно ярких внегалактических объектов, сверхмассивные черные дыры в их центрах постоянно поглощают газ в центральных областях своих родительских галактик. Огромная гравитационная энергия высвобождается на аккреционный диск, состоящий из газа, преобразуя ее в тепловую энергию и электромагнитное излучение, в результате чего образуется аномально яркое ядро ​​галактики. Квазары также называют «космическими гигантами» из-за их исключительно высокой собственной светимости.

Согласно стандартной теории аккреционного диска, аккреционные диски создают хорошо известный «большой синий выступ» в спектральном распределении энергии, пик которого ожидается в крайнем ультрафиолете. Чем выше центральность Черная дыраЧем ниже ожидаемая температура аккреционного диска, тем мягче становится экстремальный УФ-спектр. Наблюдения показали, что более яркие квазары (с большей массой сверхмассивных черных дыр) демонстрируют относительно более слабые эмиссионные линии (объяснимые более мягкими экстремальными ультрафиолетовыми спектрами), известные как знаменитый эффект Болдуина, который, по-видимому, согласуется с классической моделью аккреционного диска.

Рисунок 2: Наклон распределения энергии УФ-спектра квазаров (правая ось, пустые точки данных) не зависит от собственной яркости, что не может объяснить эффект Болдуина (левая ось, сплошные точки данных). Фото: Университет науки и технологий Китая.

Сложные классические теории

Исследования доцента Чжэньи Цая и профессора Цзюньсяня Вана сосредоточены непосредственно на спектральном распределении энергии от оптического до ультрафиолетового в больших образцах квазаров. В этом исследовании используются данные наблюдений наземной системы SDSS и космической системы GALEX для контроля неполного обнаружения УФ-излучения.

Они обнаружили, что среднее распределение энергии квазаров в УФ-спектре не зависит от их собственной яркости, что не только указывает на то, что изменения собственной яркости не могут объяснить эффект Болдуина, но и бросает вызов предсказаниям стандартной теории аккреционного диска.

В то же время исследователи предполагают возможную новую физическую причину эффекта Болдуина: более яркие квазары имеют более слабые колебания температуры аккреционного диска и поэтому не могут выделять больше облаков эмиссионных линий.

Рисунок 3: Среднее спектральное распределение оптической и ультрафиолетовой энергии квазаров (красные точки данных), намного более мягкое, чем стандартные предсказания аккреционного диска (левая панель), но согласующееся с предсказаниями модели дискового ветра (правая панель). Фото: Университет науки и технологий Китая.

Предложите новую модель

Кроме того, в исследовании были учтены эффекты поглощения в межгалактической среде, и выяснилось, что средний спектр крайнего ультрафиолета квазаров мягче, чем все предыдущие результаты исследований. Это несоответствие представляет собой серьезную проблему для стандартной модели аккреционного диска, но хорошо согласуется с предсказаниями модели, которая включает в себя ветры аккреционного диска, что предполагает широкое распространение дисковых ветров в квазарах.

Результаты этого исследования имеют широкое значение для более глубокого понимания различных аспектов физики аккреции сверхмассивных черных дыр, роста массы черных дыр, космической реионизации, происхождения широкополосных областей, вымирания пыли в крайнем ультрафиолетовом диапазоне и многого другого. В будущем спутниковые проекты с возможностью обнаружения ультрафиолета, такие как Телескоп Китайской космической станции (CSST), значительно улучшат наше понимание физических свойств квазаров и подобных небесных объектов.

Ссылка: «Глобальное среднее спектральное распределение энергии квазаров от оптического уровня до крайнего ультрафиолета», Чжэнь-И Цай, Цзюнь-Сянь Ван, 5 октября 2023 г., Природная астрономия.
дои: 10.1038/s41550-023-02088-5