近日，中國科學(xué)院上海天文臺高分辨率射電天體物理研究團隊利用美國國家射電天文臺（National Radio Astronomy Observatory, NRAO）的甚長基線陣列（Very Long Baseline Array, VLBA），對近鄰低光度活動星系核（Low-Luminosity Active Galactic Nuclei, LLAGN）NGC 4261進行了高分辨率觀測研究，首次細致分析了亞秒差距（sub-parsec）尺度上噴流的運動和準直輪廓。這些研究結(jié)果有助于我們深入理解NGC 4261中的黑洞、吸積流以及噴流之間的復(fù)雜物理過程。相關(guān)成果于10月25日發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志》（The Astrophysical Journal）上。
活動星系核中噴流的形成、加速和準直等物理過程一直是天體物理學(xué)中備受關(guān)注的研究領(lǐng)域。甚長基線干涉測量（Very Long Baseline Interferometry, VLBI）以其卓越的分辨本領(lǐng)在探索和理解活動星系核（Active Galactic Nuclei, AGN）噴流的物理過程方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。LLAGN作為AGN的一個特殊子類，在近鄰星系中的分布超過了40%。此外，LLAGN的多波段能譜（Spectral Energy Distribution, SED）與明亮的AGN（如類星體）存在顯著差異 [1]，且LLAGN中通常能觀測到射電噴流。人類拍攝的首張黑洞照片的“主角”M87星系的中心核區(qū)就是一個典型的LLAGN，其中心核區(qū)的物理過程已在多波段上得到廣泛而深入的研究。隨著對M87星系核區(qū)物理過程的認識和理解的不斷深入，天文學(xué)家開始將目光逐漸轉(zhuǎn)向其他近鄰的LLAGN。
中國科學(xué)院上海天文臺高分辨率射電天體物理研究團隊利用VLBA的存檔數(shù)據(jù)和最新的觀測數(shù)據(jù)，并利用一種新興的（亞）毫米波觀測技術(shù)——源頻相位參考技術(shù)（Source-Frequency Phase Referencing, SFPR），對近鄰低光度活動星系核NGC 4261的噴流進行了高分辨率VLBI觀測研究。由于毫米波觀測的靈敏度會嚴重受到大氣相干時間的影響，因此天文學(xué)家通常難以在毫米波段直接探測到輻射較弱的射電源。不過，利用SFPR技術(shù)，毫米波觀測的大氣相干時間得以被有效延長，從而大幅提升毫米波VLBI的觀測靈敏度和射電噴流的探測率。此外，由于不同的觀測頻率對應(yīng)不同的空間分辨率，因此研究團隊通過利用多頻VLBI觀測數(shù)據(jù)（1 GHz至88 GHz），對NGC 4261的噴流在不同尺度上進行了細致研究。
研究結(jié)果顯示，噴流在亞秒差距尺度上的視速度介于0.31 0.14c和0.59 0.40c之間，噴流的視向角范圍約在54度至84度之間。利用1 GHz至88 GHz的多頻觀測數(shù)據(jù)，研究團隊測量并進一步證實了NGC 4261最內(nèi)部噴流的準直輪廓呈拋物線形狀。這個拋物線輪廓在距離黑洞約0.6 pc的位置轉(zhuǎn)變?yōu)殄F形輪廓（圖1）。值得注意的是，這個由拋物線輪廓變化為錐形輪廓的位置遠小于該黑洞的邦迪半徑（Bondi Radius，約99 pc，即黑洞的引力作用范圍，在邦迪半徑之外，氣體可自由運動而幾乎不受黑洞引力的影響）。這一結(jié)果與M87星系等其他LLAGN的觀測結(jié)果不同——M87等LLAGN的噴流準直輪廓的變化通常發(fā)生在邦迪半徑附近。對于這種現(xiàn)象，研究人員提出了兩個可能的解釋。首先，外部介質(zhì)的壓力可能限制了噴流的準直輪廓，而幾何厚、光學(xué)薄的熱吸積流或由它產(chǎn)生的吸積盤風(fēng)就是可能的壓力來源。對NGC4261的SED的模型研究表明，吸積流主要存在于靠近黑洞約1 pc的范圍之內(nèi)。因此，吸積流以及由它產(chǎn)生的吸積盤風(fēng)就是可能的限制噴流拋物線輪廓的壓力來源。第二，噴流本身的物理性質(zhì)可能發(fā)生了變化：噴流過早地由磁場能量主導(dǎo)變?yōu)橛闪Ｗ幽芰恐鲗?dǎo)，從而導(dǎo)致了其準直輪廓的變化。理論研究、數(shù)值模擬和觀測都表明，在黑洞附近處的噴流的磁化度很高，即它的磁場能量很高。因此，磁場產(chǎn)生的較大的磁壓會有效地將噴流的寬度輪廓限制為拋物線輪廓。但隨著噴流逐漸遠離黑洞，磁場能量會慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ｗ幽芰?。磁場壓力也因此逐漸變小，從而導(dǎo)致噴流的準直輪廓發(fā)生了變化（圖2）。
圖1，噴流的準直輪廓示意圖。藍色區(qū)域表示拋物線型輪廓，綠色區(qū)域表示錐形輪廓。黑色箭頭表示來自吸積流或者吸積盤風(fēng)的壓力。不同的長短表示不同大小的壓力，箭頭越長，壓力越大。在約1 pc的范圍內(nèi)，吸積流及其產(chǎn)生的吸積盤風(fēng)會產(chǎn)生較大的介質(zhì)壓力（在一定的條件下），從而成為限制噴流拋物線輪廓的可能的壓力來源。另外，假設(shè)在噴流內(nèi)部，磁場能量主導(dǎo)藍色區(qū)域，而粒子能量主導(dǎo)綠色區(qū)域。那么，在綠色區(qū)域內(nèi)，磁場壓力的明顯變?nèi)鯐?dǎo)致噴流的準直輪廓發(fā)生變化。
圖2，NGC 4261噴流的準直輪廓。通過利用高分辨率觀測數(shù)據(jù)（15 GHz、44 GHz和88 GHz），研究人員確認了最內(nèi)部噴流的準直輪廓呈拋物線形狀。結(jié)合VLBA在其他頻率的觀測數(shù)據(jù)和之前的研究結(jié)果 [2]，研究人員注意到噴流準直輪廓的變化位置（垂直虛線）遠低于邦迪半徑（垂直點線）。垂直虛線左側(cè)的噴流寬度隨距離的變化呈現(xiàn)為拋物線輪廓。而在其右側(cè)，噴流寬度隨距離的變化則呈現(xiàn)為錐形輪廓。圖中的黑色和灰色區(qū)域分別表示黑洞最大自旋時(a=1)和沒有自旋時的事件視界大小。
論文第一作者、中國科學(xué)院上海天文臺博士研究生閆璽表示，NGC 4261和另一個近鄰低光度活動星系核NGC 315的噴流準直輪廓的變化情況非常相似，都發(fā)生在遠低于邦迪半徑的位置 [3]。這些研究結(jié)果進一步加深了天文學(xué)家對LLAGN噴流準直輪廓的認識和理解。
論文通訊作者、中國科學(xué)院上海天文臺的路如森研究員指出，NGC 4261是當前為數(shù)不多的適合開展毫米波VLBI觀測研究的近鄰LLAGN之一，未來進一步研究十分必要。論文合作者、中國科學(xué)院上海天文臺的沈志強研究員強調(diào)，研究團隊還對除了NGC 4261以外的其他LLAGN（例如M 104星系）進行了高分辨率VLBI觀測研究，這些研究將直接面向下一代事件視界望遠鏡（ngEHT）黑洞成像。
本項目得到國家自然科學(xué)基金委員會、中國科學(xué)院、中國科學(xué)院上海分院、中德馬普伙伴合作小組等的大力支持。
參考文獻：
[1] Ho, L. C. 2008, ARA&A, 46, 475,457
[2] Nakahara, S., Doi, A., Murata, Y., et al. 2018, ApJ, 854, 148
[3] Boccardi, B., Perucho, M., Casadio, C., et al. 2021, A&A,647, A67
科學(xué)聯(lián)系人：
沈志強，中國科學(xué)院上海天文臺，zshen@shao.ac.cn
路如森，中國科學(xué)院上海天文臺，rslu@shao.ac.cn
閆璽，中國科學(xué)院上海天文臺，yanxi@shao.ac.cn
