云和盘状风两种理论模型的比较。来源:Steven Burrows/Jason Dexter

　　研究人员使用两种理论模型分析了类星体3C 273的发射数据，揭示了理解类星体行为和超大质量黑洞力学的复杂性。

　　在《天体物理学杂志》上的一篇新论文中，JILA研究员Jason Dexter，研究生Kirk Long和其他合作者比较了两种主要的理论模型，用于特定类星体3C 273的发射数据。利用这些理论模型，像德克斯特这样的天体物理学家可以更好地理解这些类星体是如何形成和随时间变化的。

　　类星体或活动星系核(AGN)被认为是由其中心的超大质量黑洞提供能量的。在宇宙中最亮的物体中，类星体在电磁波谱中发射出一束明亮的光。这种发射携带着关于黑洞及其周围区域本质的重要信息，为天体物理学家提供了可以更好地了解黑洞动力学的线索。

　　两个模型的故事

　　类星体发出的光使天体物理学家对超大质量黑洞的力学有了许多了解。对德克斯特和朗来说，类星体3C 273的发射数据来自智利甚大望远镜(VLT)上的GRAVITY仪器。“具体来说，我们在这项工作中使用了近红外光(对你的眼睛来说太红了，但仍然足够接近可见光谱，一个'正常'的望远镜反射镜会反射它)来观察类星体3C 273，因为我们关心的发射线在这个波长范围内发射，”Long解释说。

　　根据之前的发现，Long和Dexter预计重力发射数据会显示类星体3C 273的一个峰值。虽然这个单峰是类星体发射光谱的标志，但产生它的机制仍然存在争议，因为有些人认为这是来自落入黑洞并在银河系漩涡中旋转的发射。

　　理论模型和黑洞动力学

　　“但这种几何形状能延伸到什么程度?”朗问道。“如果你考虑这些发射线来自的这个区域——我们称之为宽线区域——如果你想象一个旋转的圆盘各向同性地发射，圆盘的每个部分都在相同的温度下发光，你会看到两个发射峰。”

　　这是因为由于多普勒效应，一个峰向观察者红移，另一个峰向观察者蓝移。

　　然而，从类星体3C 273(以及许多其他类星体)的数据中可以看出，不是有两个峰，而是只有一个。这意味着类星体的辐射并没有遵循最简单的模型，而是发生了更复杂的事情。天体物理学家将各种模型应用到他们的数据中，以研究导致一个发射峰值的机制。

　　云和盘风模型分析

　　为了更好地理解数据的变化，德克斯特和朗研究了两种主要的理论模型，它们可能是潜在的机制:云和盘风模型。对于Dexter来说，比较这两个模型可以更深入地了解建模过程本身。

　　“从中得到的一个重要结论是，你实际上可以测量黑洞质量的不确定性，以量化如果你有错误的模型，你的错误程度，”他补充说。“在这种特殊情况下，我们也可以检查一致性，因为我们知道我们如何从其他数据中看待这个黑洞。某一特定模型可能选择的视图可能与其他数据不匹配。所以我们可以说这可能是一个不受欢迎的解。记住，您选择的模型会影响您得到的测量值，这对将来的工作非常重要。所以，我们不知道我们是如何看待这些系统的，这意味着重要的是要弄清楚哪种模型在最多的情况下站得住脚。”

　　探究类星体发射力学

　　云模型提出，在类星体光谱中观测到的发射线来自中心黑洞附近的电离气体云。朗解释说:“基本上有一堆云在黑洞周围混乱地旋转。这些云形成了一个单峰，因为你填充了更多的球形几何形状，而不是像恒星那样的圆盘。所以，你可以得到一个峰值，因为大部分的气体没有靠近或远离你。这些云在奇怪的倾斜轨道上运行，但仍然在稳定的轨道上运行，所以你可以给黑洞称重。”

　　虽然云模型符合几个类星体的数据集，但其机制似乎并没有加起来。德克斯特说:“这是一个谜，你认为云应该落在这个圆盘上并在周围旋转。”“但是，如果这个过程产生原子气体转变，它应该产生这两个峰，你看到的线条。但这不是我们看到的;它总是单峰。”为了解释这种差异，一些天体物理学家提出了原子气体膨胀的理论，导致了发射光谱的变化。

　　为了解决一个峰值和两个峰值之间的差异，其他天体物理学家提出了一个不同的模型，称为盘风模型。这个模型表明，观测到的类星体发射“来自盘内风的足迹”，朗解释说。“在这个模型中，你仍然可以有一个一直延伸到宽线区域的薄圆盘，但现在你的额外假设是，你将在圆盘上添加剪切。在我们的研究中，我们增加了几个不同的剪切，因为我们看到了流出和流入的观测证据，气体从这个地区被吹走或吹进来。”

　　比较模型和数据

　　利用科罗拉多大学博尔德分校的超级计算系统，德克斯特和朗将圆盘风模型应用于类星体3C 273的数据集，看看它是否适合。从他们的计算中，德克斯特和朗发现盘风模型确实会将黑洞质量的计算量改变5倍。

　　但是盘状风模型比德克斯特之前分析过的云模型有更多的不确定性。“我认为，虽然基于我们的结果，我们不赞成圆盘风模型，但我们不赞成类星体3C 273的唯一原因并不是它实际上更不符合数据——它实际上与云模型一样符合数据——而是它要求你用一种不同的方式来观察圆盘，而不是用一种不同的方式来观察云，”朗解释说。

　　通过将圆盘风模型与数据相匹配，朗和德克斯特不得不重新调整他们对3C 273的看法，并从侧面观察它。“这告诉我们，也许我们提出的模型的这个版本是错误的，”朗补充说。“但我们可能还可以在圆盘风模型中添加其他东西，让它更好地与喷气机保持一致，所以我们不能完全排除这种可能性。”

　　从他们的结果中，德克斯特和朗可以更好地理解这些不确定性是如何影响超大质量黑洞“称重”的更大过程的，这可以被其他天体物理学家在进一步研究类星体动力学时利用。

　　参考文献:“用类星体3C 273的重力观测来研究活动星系核宽线发射的薄盘风发射机制”，作者:Kirk Long, Jason Dexter, Yixian Cao, Ric Davies, Frank Eisenhauer, Dieter Lutz, Daryl Santos, Jinyi Shangguan, Taro Shimizu和Eckhard Sturm, 2023年8月18日，《天体物理杂志》。1538 - 4357 . DOI: 10.3847 / / ace4bb