超爱丁顿活动星系核的多波段辐射机制研究

Super-Eddington Active Galactic Nuclei (AGN) habours one of the most extreme accreting and radiating processes in the Universe, and is also a key research topic in Astrophysics. This research project focuses on the multi-wavelength radiation mechanism of super-Eddington AGN. It will be strongly supported by the high-quality data from two upcoming observing programs led by the proposer, including a normal joint XMM-Newton/NuSTAR program and the first large joint XMM-Newton/NuSTAR program to perform multi-wavelength observations of representative super-Eddington AGN. These observations will be conducted before February 2019, and provide high-quality multi-wavelength data from optical, UV to hard X-rays. We will apply the latest spectral models and state-of-the-art spectral-timing analysis techniqes to analyse the data and study the super-Eddington AGN in great detail. This study will provide various new evidences for the multi-wavelength radiation mechanism, thereby greatly prompting the understanding of the global structure of the super-Eddington accretion disc. We will also study other AGN by using archival data, especially super-Eddington quasars at higher redshifts, in order to clarify the structural evolution of the accretion disc around super-masstive black holes over various physical parameters, such as the mass accretion rate, black hole mass and spin, etc. This will also allow us to deepen our understanding about the important physical processes directly related to the accretion disc, including the corona emission, disc wind and jets.

超爱丁顿活动星系核是宇宙中最强烈的吸积和辐射天体之一，是天体物理领域的重要研究对象。本项目针对超爱丁顿活动星系核的多波段辐射机制问题开展研究。项目将获得来自由申请人主导的两次XMM-Newton和NuSTAR卫星的联合观测任务的大量最新数据支持，特别是国际首次针对超爱丁顿活动星系核的大型联合观测任务。将于2019年2月前完成所有观测，提供光学紫外和X射线的高质量数据。我们将结合最新的物理模型，利用最新的频率分辨的时变能谱分析技术，对被观测的有代表性的超爱丁顿活动星系核进行深入研究，获取关于其多波段辐射机制的新的多方面观测证据，从而检验和细化超爱丁顿吸积盘的物理图像。我们也将结合对其他活动星系核的数据分析和研究，包括高红移的超爱丁顿类星体，进一步明确超大质量黑洞周围吸积盘结构随吸积率、黑洞质量、自旋等物理参数的演化，增进对不同的冕区辐射、盘风、喷流等与吸积盘存在直接联系的重要物理过程的理解。

超爱丁顿活动星系核是宇宙中辐射能量最大的黑洞吸积系统，与极端引力场物理、黑洞的质量增长和演化、黑洞与星系的协同演化等重要基本天体物理问题直接相关。本项目的主要研究内容是: 针对超爱丁顿活动星系核的吸积流结构、多波段辐射性质及其随基本参数的演化、多波段辐射机制等问题，利用项目负责人申请获得的XMM-Newton、Swift、NuSTAR等空间X射线和地面光学望远镜的最新观测数据，结合各类观测设备积累的大量历史观测数据，对这类特殊活动星系核的多波段辐射特征及其背后的物理机制开展观测研究和模型检验。通过本项目的顺利实施，迄今已按计划取得了一系列进展和成果。亮点成果包括：探测到了来自超爱丁顿活动星系核RE J1034+396的持续时间最长的超大质量黑洞X射线准周期震荡信号。该成果被央视新闻、BBC、CNN等国内外新闻媒体报道。通过以该信号为探针的深入研究，进一步增进了对这类罕见信号的物理起源的理解，增进了对长期悬而未决的“软X射线超出”的物理机制问题的理解。对一个具有最高超爱丁顿吸积率之一的活动星系核RX J0134.2-4258开展了多波段辐射的深入观测研究，发现其X射线具有奇特且剧烈的长时标光变；发现其紫外发射线与高红移弱发射线类星体的相似性，从而定义了一类新的活动星系核，即弱发射线赛弗特星系。基于以上观测研究结果，给出了超爱丁顿活动星系核的吸积流结构随吸积率的演化图。通过对一个样本的超爱丁顿活动星系核的外盘吸积率和辐射总光度的准确测量，获得了高吸积率活动星系核的吸积流辐射效率的强约束，进一步证实了其辐射效率随吸积率升高而显著下降。利用数百次的XMM-Newton卫星观测，对一个具有不同吸积率的大样本活动星系核的X射线光变性质进行了深入研究，发现了软X射线和硬X射线能谱和光变对吸积率的不同依赖关系。以上研究显著增进了对超爱丁顿活动星系核的多波段辐射机制和吸积流结构的理解。