极高吸积状态下的活动星系核: 观测和理论研究

Accretion modes of supermassive black holes are insufficiently understood in active galactic nuclei as well as the corresponding physical phenomenon. This is owing to 1) large uncertainties of estimating black hole masses (0.3-0.5dex); and 2) the uncertainties of the bolometric luminosity from the observed spectral energy distributions. In this research, we are planning to select those AGNs with extremely high accretion rates, and spectroscopically monitor them through Lijiang 2.4m telescope in Yunnan Observatory. This observation allows us to get reliable black hole mass from the reverberation mapping technique. Three kinds of problems will be studied: 1) method of highly accurate estimation of black hole masses; 2) what is the physics of broad line region in the extreme AGNs, and 3) how about the co-evolution of black holes and their hosts in the extreme cases. This project will advance the understanding formation and physics of broad line regions and observationally examine the properties of super-Eddington accreting massive black holes as standard candles.

活动星系核中黑洞的吸积状态和相应的物理过程仍然没有很好理解. 根本原因在于: 1) 黑洞质量估计尚有0.3-0.5dex的不确定性; 2)活动星系核的热光度测量也很不准确, 这两点导致观测估计的Eddington率相当不准确. 由此导致检验活动星系核物理过程出现很大的偏差. 本项目计划挑选数十个具有极高吸积率的活动星系核, 利用云南天文台2.4米望远镜对它们进行详细光谱监测, 得到发射线区域对连续谱的时间延迟(即reverberation mapping: RM), 从而可靠的得到黑洞质量. 依此观测为基础, 我们研究以下几个方向: 1) 高精度测量活动星系核黑洞质量; 2) 极端吸积状态下, 宽线区结构和物理状态; 3) 在极端条件下, 黑洞与寄主星系的关系, 是否还存在共同演化? 本项目实施将可能解决宽线区形成机制和物理过程, 检验超Eddington黑洞作为标准烛光性质.

本项目利用丽江2.4米望远镜，对超爱丁顿吸积的活动星系核进行了反响映射观测。旨在：1）建立首个超爱黑洞的样本；2）测量宽发射线的时间延迟；3）测量宽线区动力学和几何结构; 4)建立黑洞质量测量的MCMC方法；5)获得多波段连续谱；6）检验黑洞烛光的观测性质。.经过4年努力，课题组圆满完成了申请书中内容，得到了几项有重要突破的物理结果：1）建立了首个超爱黑洞样本，发现超爱黑洞严重违背了著名的R-L关系、建立了宽线区尺度的新标度关系；2）获得了超爱黑洞吸积辐射饱和光度的观测证据，奠定了黑洞烛光的观测基础；3）获得美国NASA卫星Swift多波段监测观测项目，对丽江2.4米超爱黑洞目标源Mrk 142开展长达90天的观测，将于3月份结束，获得有重要意义的物理结果；4）提出了宽线区起源新机制；5）独立发展了高精度测量黑洞质量的新方法，精度可达40%，为目前黑洞质量测量最高精度，现已公开了两项分析软件MICA和BRAINS，已有国际同行使用获得了重要结果；6）将黑洞烛光精度提高到0.15dex左右，与Ia型超新星测距精度相当。国内同行的蒙卡模拟检验发现，黑洞烛光可以将宇宙距离阶梯有效延伸到z=4-5。未来将有效测量暗能量性质。.丽江2.4米望远镜反响映射观测结果得到美国SDSS观测证实；最近ESO-VLTI设备GRAVITY观测3C273的结果，与丽江结果完全一致。除此之外，这个项目的实施，也孕育出新的研究方向，发展了数家国际合作伙伴。课题组提出了超大质量双黑洞搜寻和轨道参数测量的反响映射新方法，获得了美国Wyoming大学2.3米望远镜高达80%总时间的慷慨支持，开展了以宽线轮廓不对称AGN为主的MAHA项目，已经实施两年。目前发现了4-5个双黑洞的光谱证据，将为纳赫兹引力波探测作出积极贡献。