《科學(xué)通報》2025年第3期出版“超大質(zhì)量黑洞吸積盤中恒星的形成和演化專題”，歡迎關(guān)注！

作為20世紀60年代四大發(fā)現(xiàn)之一的類星體一直是天文與天體物理的熱點研究前沿. 經(jīng)過長達半個多世紀的觀測與理論研究, 以超大質(zhì)量黑洞吸積為能源機制的模型成為主導(dǎo)學(xué)界的“標準模型”. 但是, 如何建立這一主導(dǎo)過程? 即超大質(zhì)量黑洞如何形成? 吸積盤如何形成? 核區(qū)結(jié)構(gòu)(即塵埃環(huán)、寬線區(qū)以及吸積盤)如何形成? 這是始終未解決的重大問題. 有幾條重要觀測信息為解決這些問題提供了思路.

第一, 通過對類星體光譜分析, 人們發(fā)現(xiàn)類星體的金屬豐度不隨宇宙學(xué)紅移演化. 這強烈暗示活動星系核(active galactic nucleus, AGN)盤存在大量的恒星形成. 恒星演化晚期頻繁超新星爆發(fā)導(dǎo)致金屬增豐, 也就是說AGN盤是一個煉金爐. 恒星死亡產(chǎn)生大量的致密星, 部分形成致密星雙星. 雙致密星的并合可能產(chǎn)生引力波暴和伽馬暴 [1] . 理論預(yù)測最近可能得到觀測證實.

第二, 引力波源GW190521與一個來自AGN的光學(xué)暫現(xiàn)源成協(xié), 說明該黑洞-黑洞并合可能起源于AGN環(huán)境 [2] . 引力波源GW190521作為AGN吸積盤中雙黑洞并合的熱門候選體, 開啟了該系列研究的高潮. 人們認為其起源于AGN吸積盤中雙黑洞并合, 這既因為有證據(jù)顯示該事件的宿主是類星體SDSS J1249+3449, 又由于探測到兩個并合黑洞的質(zhì)量(分別為85 M ⊙ 和66 M ⊙ )都處在質(zhì)量間隙中 [3] , 并且并合前的軌道橢率不為零 [4] . 另外, 截至2024年12月5日, 地面引力波天文臺LIGO-Virgo-KAGRA (LVK)已成功觀測到257例黑洞-黑洞/中子星并合的引力波事件, 其中只有兩例雙中子星并合事件: GW170817、GW190425和7例可能為中子星-黑洞的并合事件 [5] . LVK探測到較多的雙致密星并合事件暗示它們可能起源于AGN盤.

第三, 伽馬暴GRB191019A與一個年老的星系成協(xié), 該伽馬暴可能起源于AGN盤環(huán)境中雙中子星的并合 [6] . AGN盤中的恒星遷移到中心超大質(zhì)量黑洞附近會被潮汐瓦解, 目前已經(jīng)觀測到150多個候選體, 這也為探測宇宙中沉寂的黑洞和黑洞活動的動態(tài)演化提供了新途徑. 當(dāng)恒星級致密天體遷移到中心大黑洞周圍時, 會形成極端質(zhì)量比旋進系統(tǒng), 這是2030~2035年空間引力波(LISA、天琴、太極)的核心研究對象之一. 當(dāng)下及未來十年的多信使手段為研究超大質(zhì)量黑洞吸積盤中恒星的形成和演化提供了重要的機遇. 作為超大質(zhì)量黑洞吸積以外的能源機制, 恒星爆發(fā)、恒星級致密天體的超愛丁頓吸積等劇烈活動過程, 對黏滯產(chǎn)生和氣體輸運、核區(qū)星團形成以及活動星系核結(jié)構(gòu)形成等將起到關(guān)鍵作用; 同時, 星系核心環(huán)境作為星系核球和超大質(zhì)量黑洞的橋梁, 對理解超大質(zhì)量黑洞和星系演化也將扮演關(guān)鍵作用.

國內(nèi)在這一領(lǐng)域起步較早, 具有非常好的研究基礎(chǔ). 受到觀測的驅(qū)動, AGN盤中的恒星形成和演化越來越受到天文學(xué)家的重視, 其中國內(nèi)學(xué)者和海外華人天文學(xué)家在該領(lǐng)域非常活躍. 我們分別于2023年6月和2024年5月, 在中國科學(xué)院紫金山天文臺和華中科技大學(xué)召開了第一屆和第二屆AGN吸積盤中“吸積致變恒星”(accretion-modified star, AMS)相關(guān)天體物理現(xiàn)象研討會. 本次專題的文章作者主要為第一屆AMS會議的報告人. 本專題涉及AGN盤中恒星或恒星級致密天體的形成、動力學(xué)演化、超愛丁頓吸積及其多信使的輻射特征等內(nèi)容. 王建民課題組 [7] 討論了AMS的超愛丁頓吸積以及相關(guān)的觀測效應(yīng), 并預(yù)言了銀河系中心大質(zhì)量黑洞周圍存在一個質(zhì)量約為40 M ⊙ 的衛(wèi)星黑洞, 這可能是距地球最近的EMRI (extreme mass ratio inspiral)系統(tǒng). 吳雪峰課題組 [8] 介紹了AGN吸積盤中超新星前身星的動力學(xué)演化、超新星爆發(fā)能量來源及爆發(fā)時的輻射特征, 并討論了近鄰(紅移 z <0.1)AGN吸積盤中的超新星事件被如EP (Einstein Probe)這樣的X射線衛(wèi)星以及LSST (Large Synoptic Survey Telescope)、WFST (Wide Field Survey Telescope)這樣的寬視場光學(xué)巡天望遠鏡所探測到的可能性. 吳慶文課題組 [9] 介紹了大質(zhì)量黑洞周圍恒星或恒星級天體及動力學(xué)演化, 重點討論了潮汐瓦解(tidal disruption event, TDE)事件和極端質(zhì)量比旋進系統(tǒng)(extreme mass ratio inspiral, EMRI)的形成, 并指出在多信使時代, 特別是未來空間引力波時代(天琴/太極/LISA), 星系核區(qū)TDE、EMRI相關(guān)研究將為理解星系核心環(huán)境、黑洞與星系共同演化等提供全新信息. 韓文標課題組 [10] 簡要綜述了恒星級雙黑洞在AGN盤上的形成渠道以及可能的電磁對應(yīng)體, 重點討論了如何通過引力波和多波段的電磁觀測對模型進行檢驗. 陳弦課題組 [11] 回顧了致密天體在活動星系核吸積盤中遷移的主要機制, 其中包括與吸積盤撞擊導(dǎo)致的星體角動量損失、潮汐力矩激發(fā)的密度波對星體的反作用、氣體非開普勒運動導(dǎo)致的星體吸積和動力學(xué)摩擦效應(yīng), 以及最近提出的一些新機制, 如熱力矩以及第三體的引力影響等. 此外, 他們還總結(jié)了與致密天體遷移過程相關(guān)的天文學(xué)觀測現(xiàn)象, 比如類星體金屬增豐, 以及恒星級雙致密天體或者極端質(zhì)量比旋近產(chǎn)生的引力波等. 劉彬 [12] 介紹了雙星(致密星或普通恒星)如何在中心超大質(zhì)量黑洞的長期影響下演化直至發(fā)生并合, 總結(jié)了由超大質(zhì)量黑洞誘導(dǎo)產(chǎn)生并合這一渠道的關(guān)鍵結(jié)論, 并概述了潛在的可觀測特征. 李亞平 [13] 介紹了如何利用多維度的流體數(shù)值模擬研究AGN吸積盤上雙黑洞形成、單(雙)黑洞吸積、雙黑洞演化等方面的工作, 并介紹了本領(lǐng)域仍然存在的重要問題和研究方向. 王凱 [14] 簡要綜述了AGN盤上不同天體物理暫現(xiàn)源爆發(fā)過程中的高能中微子輻射研究進展, 具體包括吸積盤中雙恒星級黑洞并合遺跡黑洞吸積氣體物質(zhì)形成的噴流和外流星風(fēng)、伽馬射線暴和超新星在與盤物質(zhì)作用過程中的高能中微子生成, 并展望了下一代高能中微子探測器對理解超大質(zhì)量黑洞吸積盤中天體物理過程的機遇. AGN盤中的白矮星很可能會遷移到內(nèi)區(qū), 并形成由雙白矮星與中心超大質(zhì)量黑洞組成的限制性三體系統(tǒng). 朱錦平等人 [15] 介紹了AGN盤中災(zāi)變性爆發(fā)事件的激波效應(yīng). 在AGN盤中相對致密的環(huán)境中, 劇烈的激波突破和激波冷卻輻射顯著影響其多波段的電磁觀測特征. 同時, 激波的存在也會導(dǎo)致非熱輻射和高能中微子的產(chǎn)生. 袁業(yè)飛課題組 [16] 介紹了他們?nèi)绾瓮ㄟ^ N 體動力學(xué)數(shù)值模擬研究AGN盤中白矮星-白矮星的碰撞率, 以及可能的多波段電磁輻射特征.

由于AGN盤中恒星和致密星的形成和演化領(lǐng)域發(fā)展非常快, 本專題無法全面覆蓋所有的研究方向和研究進展. 我們希望通過本專題, 以及持續(xù)組織AMS系列會議, 推動該領(lǐng)域的發(fā)展. 最后, 感謝所有作者、審稿人和編輯人員的大力辛勤付出.

專題特邀編輯

王建民中國科學(xué)院高能物理研究所研究員. 長期從事類星體觀測與理論研究, 首次提出超大質(zhì)量黑洞吸積盤上的致密天體并合過程、高能爆發(fā)與引力波輻射現(xiàn)象, 率先實現(xiàn)將反響映射觀測與VLTI光干涉結(jié)合(SARM)測量超大質(zhì)量黑洞/雙黑洞與宇宙學(xué)幾何距離. 2019年獲得中國天文學(xué)會黃潤乾天體物理.

袁業(yè)飛中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)講席教授. 目前擔(dān)任中國天文學(xué)會副理事長, 安徽省天文學(xué)會理事長. 主要從事相對論天體物理的理論研究.

吳慶文華中科技大學(xué)教授, 現(xiàn)任華中科技大學(xué)物理學(xué)院副院長、天文系主任. 從事黑洞相關(guān)天體物理研究.

參考文獻

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[13] 李亞平. 活動星系核吸積盤上恒星級黑洞吸積和動力學(xué)演化. 科學(xué)通報, 2025, 70: 387–397

[14] 王凱. 超大質(zhì)量黑洞吸積盤中的高能中微子輻射研究進展及展望. 科學(xué)通報, 2025, 70: 398–410

[15] 朱錦平, 俞云偉, 張冰. 活動星系核吸積盤內(nèi)災(zāi)變性爆發(fā)事件的電磁和高能中微子信號. 科學(xué)通報, 2025, 70: 411–422

[16] 張書瑞, 羅沿, 袁業(yè)飛. 活動星系核吸積盤中白矮星碰撞及其觀測效應(yīng). 科學(xué)通報, 2025, 70: 423–431

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