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永利皇宫官网郭守敬望远镜发现上万个类星体

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永利皇宫官网郭守敬望远镜发现上万个类星体

在燕园的最北端,临着一汪碧湖,有一座安静的小楼。飞檐翘角,古色古香,一进门,见三三两两的人来来去去,招呼、交谈用的全是英语,仿佛穿越到了另一个国度。

类星体是银河系外发光巨大的遥远天体,其能源来自于其中心超大质量黑洞所吸积周围物质释放的巨大引力能,是研究遥远宇宙的重要探针。

类星体作为宇宙中发光最强的活动星系核,是研究遥远宇宙的重要探针,其巨大能量来自于中心超大质量黑洞吸积周围物质所释放出的引力能。按照光谱型态的不同,活动星系核一般被分为两类,有宽发射线的I型活动星系核和只有窄发射线的II型活动星系核。

在北京大学科维理天文与天体物理研究所,英语才是工作语言。“我们所的国际化程度是很高的。”由此,所长何子山打开了话匣子。所里的24位教授,20个博士后,约有1/4是外籍人士,还不包括访问学者。作为国家“千人计划专家”,何子山自己就是1年多前的“海归”。

郭守敬望远镜类星体巡天是由北京大学教授吴学兵领导的团队开展的一项郭守敬望远镜光谱巡天重点课题。在中国科学院国家天文台郭守敬望远镜运行中心的大力支持和帮助下,该团队继2016年发表从郭守敬望远镜第一期释放数据中证认发现的1180个新类星体之后,2018年4月10日在美国天文学杂志Astronomical Journal(2018, 155, 189)又发表了第二期和第三期释放数据中类星体巡天的证认结果,共发现12126个类星体。原北京大学博士后董晓怡为论文第一作者。

近几年来,极少数活动星系核光谱中的宽发射线被观测到在几年的时间内会消失,有的在随后几年内甚至又会重新出现宽发射线,这些在短时间内光谱型态发生显著变化的特殊天体被称为“变脸”(changing-look)活动星系核。尽管至今只有20多个这样的特殊天体被发现,但它们严重挑战了天文界普遍认可的活动星系核统一模型。按照此模型,I型活动星系核与II型活动星系核主要是由于相对观测者的视线方向不同所致,短期内二者是很难相互转化的。

虽说“科学无国界”,但在国内各项科研领域,这样国际化的情形着实不多。天文研究,到底有什么奥妙?

从2013年9月至2015年6月郭守敬望远镜观测获得的第二期和第三期数据中,吴学兵团队经过数据处理和人工检查,共证认了19935个类星体,其中12126个为独立发现。这些类星体的平均红移为1.5,最高红移为5。这12126个类星体中,8100个类星体被郭守敬望远镜唯一发现,4026个类星体被郭守敬望远镜和美国斯隆数字巡天计划共同发现,即它们也包括在SDSS在2014年后公布的第12期和14期释放数据中。吴学兵团队还对郭守敬望远镜唯一发现的8100个类星体中信噪比较好的6887个类星体进行了光谱拟合,给出了这些类星体的连续谱和发射线参数,并估算出了其中心黑洞质量(大多在千万倍到百亿倍太阳质量之间)。这些结果将对大样本类星体的统计研究提供重要帮助。

目前对于这些活动星系核“变脸”的物理机制还存在争议,主要有三种不同的解释。第一种解释是由于大量物质运动而造成的对中心辐射遮挡效应的不同导致的光谱型态变化。第二种解释是这种转变是活动星系核中心超大质量黑洞在不同时期对周围物质的吸积率变化造成的。第三种解释是一颗恒星被超大质量黑洞潮汐瓦解时造成黑洞吸积的状态在宁静和活动之间转换。

“世界上最好的望远镜,我每年只能申请到几个晚上的观测时间”

该团队正在对从2015年9月至2017年6月郭守敬望远镜观测获得的第四期和第五期数据进行分析,有望发现更多的类星体。

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在基础科学领域,天文大概是最需要国际合作的学科了。“一是因为天文观测十分依赖地理环境;二是大型设备费用昂贵,往往不是一个国家所能承担。”何子山介绍说,目前世界上正在筹建的大口径光学望远镜大多选址在智利或夏威夷,有的为国际合作建造,中国也是签约方。

该研究得到科技部“973”项目、重点研发专项和国家自然科学基金的支持。

 

观测的重要性不言而喻。但在中国,天文是一门非常年轻的学科,基础设备还比较缺乏和滞后。因此,一些重要观测往往需要跑到国外。不过,最好的望远镜就那么几个,全世界的天文学家都在盯着,蛋糕显然不够分。

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“变脸”类星体核心区域示意图。中心为超大质量黑洞和吸积盘(图片来源于耶鲁大学 Michael Helfenbein)

“我每年只能申请到几个晚上的时间。更为稀有的是像哈勃这样的空间望远镜,只能申请到几个小时。”何子山表示,这已经算不错的结果了。

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近年来,北京大学科维理天体物理研究所吴学兵教授领导的团队加入到变脸活动星系核的搜寻中,并发现了21个红移在0.08到0.58之间的变脸类星体。其中10个是利用我国天文大科学工程郭守敬望远镜(LAMOST)的光谱巡天数据发现的,6个是利用中国科学院国家天文台兴隆观测站2.16米光学望远镜的光谱观测发现的,5个是利用美国斯隆数字巡天(SDSS)的光谱数据库发现的。这是国际上首次大规模地发现变脸类星体,使得这类天体被发现的数目增加了一倍。研究论文于2018年8月1日在著名天文刊物美国《天体物理学杂志》(Astrophysical Journal)发表,刚毕业的博士研究生杨倩为第一作者。

如此短时间,能获得足够的数据吗?

两个LAMOST类星体光谱和SDSS测光数据的比较。蓝色曲线是拟合的连续谱。

北京大学团队发现的21个变脸类星体的转变时标约为1年到13年,证实了在短时间内这些天体的剧烈变化。当这些类星体的活动“开启”(或“熄灭”)时,伴随着连续谱辐射在光学和红外波段的增亮(或变暗)。其中至少10个类星体在光学和红外波段的光变幅度与不同的遮挡消光机制(即上面所提第一种解释)有3σ置信度以上的不符合。此外,这些源在光学波段的颜色是众所周知的“越亮越蓝”,在中红外波段的颜色却是“越亮越红”。这一观测现象可能是由于当活动星系核的活动变得剧烈时,长波端中红外辐射比短波段中红外辐射会更加明显地受到热尘埃辐射的影响所造成的。

“这取决于观测的目标,很多时候也要看运气——比如仪器状态、天气情况,都会影响观测效果。”如果一切顺利,数据量一般就足够了,“有一次,我用一晚上观测获得的数据,写出了5篇论文。”

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另外,按照天文学界的惯例,每一次观测数据都是全球免费共享的。有的情况下,观测者拥有一年的保密期,最终也会公开。比如哈勃的观测数据,就可以随时从网上获取,十分方便。事实上,绝大多数科研成果都是来自这样的“二手数据”。尤其是大范围的巡天观测,包含的信息非常丰富,研究目标不同的人可以从中各取所需。

LAMOST类星体的红移和黑洞质量分布及与SDSS类星体的比较。深蓝色、红色和浅蓝色分别代表用氢、镁和碳发射线得到的黑洞质量。

 

有时候,观测也是个体力活儿。

左图: 新发现的变脸类星体J1115+0544的光学和中红外波段光变曲线,相同颜色代表同一波段的光变。右图:该变脸类星体间隔十几年的光谱变化。上半部分图中黑色为美国斯隆数字巡天(SDSS)光谱,蓝色为我国郭守敬望远镜(LAMOST)光谱。下半部分给出了两次观测光谱的差异(图片来源于吴学兵团队论文)。

博士后苑海波,主要研究方向是银河系结构,今年已经是他博士后的第四年,即将出站了。他手上这个项目,从读博就开始做起。整整两年,他每个月都要在南京紫金山天文台盱眙站观测至少10天。“尤其刚开始的时候,需要纯手动操作:输入坐标、观测、记录,然后下一个坐标……整晚就一直重复这个过程。”这还不算完,如今,他还需要运用国家天文台郭守敬望远镜(LAMOST)的观测数据,进行对照。

活动星系核变脸的物理机制对于研究活动星系核的演化至关重要。目前,北京大学天文团队正利用国内外望远镜对许多变脸类星体候选体进行光谱观测,有望发现更多的变脸类星体,以促进对这类特殊天体“变脸”物理机制的理解。

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本研究得到国家科技部重点研发专项和国家自然科学基金委的经费支持。

 

论文链接:

图①:北大教授刘富坤提出并被证实的“双黑洞”示意图。资料图片

图②:中国自主研发的郭守敬望远镜(LAMOST)。新华社记者 殷 刚摄

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