中國科大揭示NGC 6814中奇妙的X射線掩食吸收體

中國科學技術(shù)大學天文學系王俊賢教授團隊在對活動星系NGC 6814中的X射線掩食事件的研究中，揭示了一個奇妙的團塊化的、多組分的掩食吸收體。研究成果以“What can be learnt from a highly informative X-ray occultation event in NGC 6814? A marvellous absorber ”為題于2023年8月23日 在《Monthly Notices of the Royal astronomical Society》發(fā)表,論文第一作者為博士研究生康嘉來。

活動星系核是星系中心的超大質(zhì)量黑洞吸積系統(tǒng)，有非常強的X射線輻射；這些高能輻射被認為起源于靠近黑洞的一個高溫、致密的區(qū)域——X射線冕區(qū)。當吸收云團從觀測者視線方向經(jīng)過時，冕區(qū)被云團（部分或完全）遮蔽，使得觀測到的X射線流量、譜型發(fā)生顯著變化，這被稱為X射線掩食事件。由于尺寸小、距離遠，冕區(qū)及其附近的氣體云團并沒有辦法直接被空間分辨，研究人員知道它們的存在卻很難刻畫它們的性質(zhì)。X射線掩食事件攜帶了豐富的時變信息，使得觀測者有機會動態(tài)地描繪出整個系統(tǒng)，限定冕區(qū)和掩食云團的性質(zhì)。

然而，這樣的掩食事件發(fā)生頻率不高并且不可預(yù)測；到目前為止，只有不到五個完整掩食事件（包含清晰的進出掩食過程）被完整地觀測到。此外，即使能夠幸運地捕捉到這樣罕見的掩食事件，對它的分析解讀仍面臨巨大挑戰(zhàn)：活動星系核存在顯著的本征光變，僅憑光譜分析難以將掩食導(dǎo)致的光變與本征光變嚴格區(qū)分開來。為解決這一難題，王俊賢教授團隊首次將活動星系核本征的“變亮變軟”光變行為引入到對掩食事件的分析中，通過繪制“流量-硬度比”圖來對光譜分析提供額外的獨立限制。研究團隊將這一技術(shù)應(yīng)用于XMM-Newton望遠鏡在NGC 6814中捕獲到的一次高質(zhì)量掩食事件，成功揭示了掩食云團中存在部分覆蓋的“康普頓厚”的額外吸收成分——這些吸收體如此光厚以至于將所遮蔽的X射線寬波段輻射吸收殆盡，因此僅憑光譜分析無法揭示出其存在。同時，研究團隊發(fā)現(xiàn)，在NGC 6814的掩食事件中，進出掩食很快而掩食持續(xù)時間很長；結(jié)合觀測到的部分掩食特征，這表明該掩食吸收體是團塊化的，由許多小云團組成。此外，他們發(fā)現(xiàn)，XMM RGS設(shè)備的高分辨率光譜所探測到的兩層較稀薄的吸收體，可能是從主要掩食云團上碎裂剝離下來的碎片，類似于彗星周圍的星塵。

NGC 6814的X射線掩食事件的光變曲線。

研究團隊因此得以成功將整個奇妙的掩食系統(tǒng)詳盡地刻畫出來：一個團塊化的、多相的云團簇（見動圖），它很可能是吸積盤內(nèi)區(qū)（小于1000倍黑洞引力半徑）吹出來的“盤風”的一部分，以約10000 km/s 的速度穿過我們的視線方向，并以約5000km/s的速度遠離中心黑洞；同時，冕區(qū)的尺寸非常小，約為10倍引力半徑。

多相、團塊化的掩食吸收體的三維動畫。黑色大云團指代康普頓厚的吸收云，灰色大云團指代康普頓薄的吸收云，黑/灰色小點分別代表從大云團脫落/剝落的碎片。

該工作展示了X射線掩食事件蘊含的豐富信息可以極大促進我們對于超大質(zhì)量黑洞周圍氣體的認識，指出了“流量-硬度比”圖對于分析掩食事件有重要意義，為搜尋、解讀更多的掩食事件提供了一種嶄新思路。