本文根据京都大学成果发布编译而成
以日本京都大学白眉中心、理学研究科的水本岬希特定助教为中心组成的国际研究团队，通过X射线模拟观测定量再现了实际观测到的黑洞吹出的“风”的情形，并全球首次证明，这种风是在黑洞周围产生的紫外线的作用力下生成的。今后有望利用日本预定2022年度发射的XRISM卫星，比以往更清晰地捕捉黑洞风的样子。
研究示意图
1．背景
宇宙中有很多星系，其中心都有黑洞存在。这种黑洞的质量非常大，约为太阳的数百万至数十亿倍，被称为“超巨型黑洞”。在黑洞的强大引力的作用下，周围的气体也基本上都会被吸入黑洞，在此过程中，会形成名为“吸积盘”的构造。随着吸积盘内的气体的位置能量被转换成光能，超巨型黑洞的周围会明亮地发光。这样的区域位于星系中心的活跃位置，因此被称为活动星系核。
前面说过，黑洞周围的气体基本上都会落入黑洞，但研究发现，也有一些气体没有落入黑洞，而是被吹向了从黑洞逃逸的方向，就像从黑洞中吹出来的风一样。从本应是强大的引力源的黑洞却向外吹风，看上去是一种非常不可思议的现象。利用X射线观测活动星系核时，光谱（强度分布取决于X射线的能量）上会出现吸收线，由此可以观测这种“风”。研究发现，吸收线出现的位置与原位置偏离地越远，“风”的速度就越快（图1）。不过，关于这种“风”是如何吹出来的，其加速机制一直存在很多不明之处。作为主要理论模型，以前提出过气体利用来自吸积盘的光的作用力加速的理论，以及利用吸积盘的磁力加速的理论，但一直不清楚这两种理论能多大程度再现观测结果。
图1：利用XMM-牛顿卫星获得的活动星系核PG 1211+143的X射线光谱。本来应该在蓝色虚线的位置形成吸收线，但实际形成位置（蓝色箭头）远远偏离了该位置。这种偏差是光的多普勒效应引起的，意味着形成吸收线的气体被高速吹出。
2．研究方法与成果
此次，研究团队根据“气体利用来自吸积盘的光的作用力、尤其是紫外线的作用力加速从而形成黑洞风”的理论模型，实施了X射线模拟观测，并将结果与实际观测结果进行了比较。由此，于全球首次成功地同时并且定量再现了观测到的黑洞的各种特征。
图2利用此次研究使用的理论模型表现了“风”的样子。从吸积盘中放射出了强烈的紫外线光，这种光通过将气体推向外侧，形成了“风”。此次的研究以该模型为基础，利用计算机模拟计算了当中心的黑洞周围放射X射线时，X射线与“风”碰撞后会形成什么样的光谱。
图2：此次研究的基础——“风”的理论模型。在此次研究中，从该图的原点位置向周围放射X射线，模拟了X射线与“风”碰撞时会发生什么样的相互作用。
也就是说，假设图2所示的被紫外线推向外侧形成的“风”确实存在，并模拟观测了利用X射线观测这种“风”时看起来是什么样。结果见图3。虽然未能完全再现吸收线的深度，但可以看出，两条吸收线出现的位置均与观测结果一致。另外，还再现了与“风”碰撞后散射的X射线形成亮线的情景。此前也尝试过通过理论模型再现观测结果，但存在“风”的速度过慢等问题。此次，通过改进理论模型和模拟观测方法等，首次成功地定量再现了“风”的各种观测特征。
图3：在图1所示的X射线光谱上重叠了此次的研究结果。虽然未能完全再现吸收线的深度，但可以看出两条吸收线的位置高度重合。
3．波及效果与未来展望
日本预定2022年度发射的XRISM卫星的能量分辨率（能多大程度区别并观测具备不同能量的X射线）比以往的卫星高出1位数以上。因此，预计可以更详细地捕捉黑洞风形成的吸收线的样子。研究团队利用此次的研究结果，制作了XRISM卫星进行模拟观测时的光谱。比较图3（以往的卫星）和图4（XRISM卫星）可以看出，区别非常明显，利用XRISM卫星，可以分离一个一个的微小结构进行观测。今后，随着实际获得这样的光谱，有望进一步明确黑洞风的来历。
图4：利用XRISM卫星观测与图1和图3一样的天体时的模拟观测结果。可以清晰看到利用以往的卫星无法看到的微小吸收线的样子。（曝光时间为30万秒的模拟）
论文信息
题目：UV line driven disc wind as the origin of ultrafast outflows in AGN
期刊：Monthly Notices of the Royal Astronomical Society
doi：10.1093/mnras/staa3282
日语发布原文
编译：JST客观日本编辑部
