——習(xí)近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求
——中國科學(xué)院辦院方針
中國科學(xué)院上海天文臺的研究團隊利用MaNGA項目數(shù)據(jù)，深入研究了星系中心雙峰窄發(fā)射線的起源。研究發(fā)現(xiàn)，雙峰窄發(fā)射線不僅與雙黑洞有關(guān)，還可能源于高速旋轉(zhuǎn)氣體盤、AGN外流等多種機制。2024年，團隊統(tǒng)計分析表明，雙峰窄發(fā)射線與星系中的棒、AGN和相互作用相關(guān)，其中與棒相關(guān)現(xiàn)象最為常見。2025年，團隊進一步揭示了棒旋星系中心的核環(huán)可導(dǎo)致對稱的雙峰窄發(fā)射線特征。這一成果深化了對星系中心結(jié)構(gòu)的理解，為尋找雙黑洞提供了重要參考。
雙峰發(fā)射線并不總是雙黑洞的探針
上個世紀末，天文學(xué)家在使用長縫光譜儀觀測星系中心的活動星系核（AGN）時，注意到一部分目標的光譜中存在形狀奇特的電離氣體發(fā)射線：每條發(fā)射線是由寬度較窄的對稱雙峰組成，表明存在兩個具有不同速度的成分。這一發(fā)現(xiàn)立即引起了天文學(xué)家的研究興趣，他們推測雙峰窄發(fā)射線是由兩個相互繞轉(zhuǎn)的AGN成分復(fù)合形成的。具體來說，在星系形成與演化理論中，并合是星系增長的重要渠道。當(dāng)兩個星系的中心黑洞非常靠近但沒有合并時，其各自吸積盤照亮的AGN窄線區(qū)可以產(chǎn)生分離的兩條窄發(fā)射線。不過，由于此時兩個黑洞非常靠近，地面望遠鏡的空間分辨率普遍不足以在成像上直接分辨它們。因此，星系中的雙峰窄發(fā)射線現(xiàn)象一度被認為是間接尋找星系中心雙黑洞最有希望的探針。
圖1. 在透明介質(zhì)中模擬超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)發(fā)出的全波段光，從星系盤正上方觀測。 Credit: NASA's Goddard Space Flight Center/Scott Noble; simulation data, d'Ascoli et al. 2018
然而，在經(jīng)過數(shù)十年的深入研究后，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，星系中心的雙峰窄發(fā)射線現(xiàn)象是普遍存在的，并且其產(chǎn)生機制遠不止相互繞轉(zhuǎn)的雙AGN這一種；高速旋轉(zhuǎn)的氣體盤與AGN導(dǎo)致的氣體外流都可能產(chǎn)生雙峰窄發(fā)射線。近年來，隨著新的天文儀器與技術(shù)的發(fā)展，以積分視場光譜儀為依托的積分視場光譜（IFS）技術(shù)對研究雙峰窄發(fā)射線發(fā)揮了非常重要的作用。由于IFS同時提供了星系空間分辨的能譜信息，天文學(xué)家可以通過對比不同空間中發(fā)射線特征的變化來探究星系中雙峰窄發(fā)射線的起源。
圖2. 積分視場光譜的原理。星系2D圖像經(jīng)過視場劃分后，為每個視場單元生成光譜。所有產(chǎn)生的光譜都排列成一個數(shù)據(jù)立方體，其中包含整個二維視場和從光譜儀中提取的第三維，光譜儀將光分成不同的顏色或波長。天文學(xué)家可以利用積分視場光譜的豐富信息來測量，例如，遙遠星系中氣體的運動。Credit: ESO
2019年，國家天文臺和上海天文臺的一支聯(lián)合團隊在對我國郭守敬望遠鏡發(fā)現(xiàn)的一批雙峰窄發(fā)射線星系進行研究時，首次結(jié)合國際合作項目SDSS-MaNGA計劃中的積分視場光譜數(shù)據(jù)，對星系（MaNGA ID 1-556501）中心的雙峰窄發(fā)射線起源進行了探討，并推論其物理起源是一個高速旋轉(zhuǎn)的氣體盤（Wang et al. 2019）。此后，又有多個團隊利用SDSS-MaNGA的數(shù)據(jù)對其它雙峰窄發(fā)射線星系的單個案例進行了研究，結(jié)論也各自不同，包括AGN外流和與相互作用有關(guān)的投影效應(yīng)等多種不同的起源機制。2024年11月，上海天文臺的一支研究團隊（Qiu et al. 2024）對MaNGA項目中所有星系的積分視場光譜數(shù)據(jù)進行了雙峰窄發(fā)射線的搜索和物理機制的統(tǒng)計研究。由于MaNGA項目提供的是目前世界上最大的星系積分視場光譜數(shù)據(jù)樣本，其研究結(jié)果在統(tǒng)計上具有高度的顯著性。研究結(jié)果表明，在本地宇宙中，星系中的雙峰窄發(fā)射線分別與星系中的棒，AGN以及星系相互作用有關(guān)，而且與棒有關(guān)的雙峰窄發(fā)射線現(xiàn)象是統(tǒng)計概率上最高的。目前，這一部分工作已在國際學(xué)術(shù)期刊《天體物理雜志》（Astrophysics Journal）公開發(fā)表。
雙峰發(fā)射線與星系中心核環(huán)的關(guān)系
對AGN外流以及星系相互作用是如何導(dǎo)致兩套發(fā)射線系統(tǒng)的，天文學(xué)家并不陌生，而對“棒是如何產(chǎn)生發(fā)射線的雙峰特征”這一問題，還從來沒有認真對待和研究過。一種直覺的物理機制是，氣體在沿著棒方向的徑向運動和在盤上的切向運動兩種不同的速度組分是否會構(gòu)成觀測中的雙峰發(fā)射線星系呢？該假設(shè)很快被排除，這是因為雙峰特征并沒有發(fā)生在棒的任何位置，而僅僅出現(xiàn)在棒旋星系的中心位置。另一種可能導(dǎo)致雙峰特征的物理起源是星系中心的高速旋轉(zhuǎn)氣體盤，細節(jié)如下。
在一個空間分辨率無限高的理想望遠鏡下，旋轉(zhuǎn)盤星系上每一個點的氣體運動都可以被分辨出來。那么，觀測到的光譜將是：在盤的藍移一側(cè)看到一個藍移的發(fā)射線峰，在紅移一側(cè)看到一個紅移的發(fā)射線峰。在任何一個具體的位置上，氣體都只有一個主導(dǎo)的速度方向，因此只貢獻給一個峰（如圖3所示）。然而，現(xiàn)實中的所有望遠鏡都存在空間分辨率極限。這意味著，我們無法分辨出盤上微小的細節(jié)（PSF效應(yīng)）。來自盤上一大片區(qū)域的光，都會被望遠鏡混合在一起，匯集到同一個像素或光譜元中。這個被混合的區(qū)域，其尺度遠大于盤上具有單一速度的局部區(qū)域。在一個被PSF模糊掉的區(qū)域內(nèi)，如果同時包含足夠多的、具有顯著速度差異（即高速藍移和高速紅移）的氣體，那么這個區(qū)域?qū)a(chǎn)生明亮的雙峰窄發(fā)射線。
圖3. 馮帥等2022年給出理想的由旋轉(zhuǎn)主導(dǎo)的盤星系。紫色箭頭表示旋轉(zhuǎn)軸，兩側(cè)分別是藍移與紅移成分。
2025年7月，上海天文臺的科研團隊（Qiu et al. 2025）在簡單星系旋轉(zhuǎn)盤模型基礎(chǔ)上，使用MaNGA數(shù)據(jù)，給出了核環(huán)導(dǎo)致星系中心出現(xiàn)對稱的雙峰窄發(fā)射線特征的可能性。棒旋星系中的核環(huán)恰好滿足了這一條件：棒驅(qū)動的內(nèi)流氣體在內(nèi)林德布拉德共振處聚集成環(huán)，產(chǎn)生明亮窄發(fā)射線的強輻射區(qū)，同時它位于旋轉(zhuǎn)曲線陡峭變化的區(qū)域。核環(huán)在空間上的尺度非常小（在PSF下無法分辨），但其旋轉(zhuǎn)速度卻差異巨大。因此，在一個被PSF模糊后的“像素”里，同時混合了來自環(huán)的接近側(cè)（高速藍移氣體） 和遠離側(cè)（高速紅移氣體） 的貢獻，從而形成對稱的“雙峰輪廓”（如圖4所示）。目前，這一部分工作已在線發(fā)表國際學(xué)術(shù)期刊《天體物理雜志》（Astrophysics Journal）。
圖4. PSF效應(yīng)影響下，棒旋星系中心旋轉(zhuǎn)曲線陡峭變化區(qū)域產(chǎn)生的雙峰輪廓。右側(cè)的藍色與紅色輪廓分別表示輪廓的擬合結(jié)果。
此外，核環(huán)的旋轉(zhuǎn)運動是有序、對稱的，這直接導(dǎo)致了最終產(chǎn)生的雙峰發(fā)射線特征在空間上的變化整體上也是對稱的（如圖5所示）。
圖5. 核環(huán)范圍內(nèi)觀測到雙峰輪廓的規(guī)則變化
最后，這項工作的價值不僅在于證實了一個模型，更在于為“雙峰窄發(fā)射線≠雙黑洞”提供了強有力的觀測證據(jù)，深化了對星系中心結(jié)構(gòu)的理解，并且展示了儀器效應(yīng)如何影響科學(xué)發(fā)現(xiàn)。在尋找難以捉摸的雙黑洞時，必須首先仔細排除由核環(huán)等結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的“假陽性”信號。這迫使天文學(xué)家使用更高空間分辨率的觀測（如ALMA, JWST）或結(jié)合多波段信息（如X射線看是否有兩個點源）來進行確認。
科研論文鏈接：
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad6b8e
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/adf4d1
科學(xué)聯(lián)系人：沈世銀，中國科學(xué)院上海天文臺，ssy@shao.ac.cn
