本文介绍了 活动星系核中心区域的大质量恒星演化及卫星黑洞群的引力波辐射研究， 综述了上述问题的理论研究进展及未来研究方向。
在遥远的宇宙深处，存在着一种极其活跃的天体——活动星系核。这些天体的核心隐藏着超大质量黑洞（通常可达数亿倍太阳质量），通过吸积周围的物质释放出极其强大的能量，成为宇宙中最为耀眼的天体之一。近期，类星体（光度最高的活动星系核子类）金属丰度测量和引力波探测显示在活动星系核中心区域存在大质量恒星形成与演化，该发现引发了天文学家的广泛关注。这表明活动星系核不仅是能量的释放源，更是引力波诞生的天然实验室与金属元素生成的“炼金炉”。
PART.01
炼金炉：恒星演化与核合成
自 20 世纪 80 年代以来，关于活动星系核自引力盘上的恒星形成理论便开始发展。理论计算表明，从活动星系核吸积盘致密环境中吸积的恒星往往显现为以大质量恒星为主导的质量函数形式，并会快速演化。我们将活动星系核盘上的恒星、白矮星、中子星和恒星级黑洞统称为 “ 吸积致变恒星 ” （ accretion-modified star ， AMS ），即在致密的活动星系核盘中因不断吸积而快速增长，导致演化路径发生剧烈变化。这些恒星不仅快速演化，还在一定条件下生成大量的金属元素，如铁元素，从而合理解释了活动星系核金属丰度的无宇宙学演化。研究表明，活动星系核盘上的 AMS 星族将演化为以大质量恒星为主导的形式，并在大质量端堆积。这些恒星在死亡后可能会演变为恒星级黑洞，从而形成卫星黑洞群。这意味着活动星系核盘极可能是致密天体大规模并合的温床。
图（a） pc尺度环核区的全局图像；图（b） AMS特征结构示意图
PART.02
卫星黑洞群：多波段引力波
LIGO 和Virgo等引力波探测器的成功运行使我们得以“听到”来自宇宙深处的引力波信号。2019年5月，LIGO探测到了由双黑洞并合引起的引力波事件GW190521，这一事件的发生地可能就在一个活跃的AGN内部。这引发了天文学家对活动星系核盘上致密天体并合研究的极大兴趣。目前，天文学家已对活动星系核盘上的单个AMS演化、双AMS并合，以及AMS与中心超大质量黑洞并合（极端质量比旋进系统）等问题进行了计算，并预言了相应的观测特征，如能谱变化、光变时标等。
双AMS（黑洞）系统形成、轨道演化及并合示意图
PART.03
AMS应用：银河系中心
近年来，随着对银河系中心超大质量黑洞——人马座A*——附近的观测愈发精细，该区域已成为测试活动星系核区恒星形成模型的最佳场所。观测拟合显示，银河系中心0.03~0.5 pc存在以大质量恒星为主导的恒星盘。这些恒星可能是人马座A*曾经活动过程中所形成的恒星的遗留。因此，天文学家将活动星系核盘中的AMS星族演化模型应用于银河系中心的年轻恒星盘。此外，质量为40倍太阳质量的卫星黑洞可解释人马座A*红外闪烁周期和耀斑轨迹等现象，这意味着人马座A*可能是距地球最近的极端质量比旋进系统。该系统并合将产生毫赫兹引力波，这是检验银河系中心是否存在AMS的关键，使得人马座A*成为LISA、太极、天琴等引力波探测任务的绝佳目标。
本文收录于“超大质量黑洞吸积盘中恒星的形成和演化专题”。
翟朔, 刘均荣, 王建民*. 活动星系核: 炼金炉与引力波辐射. 科学通报, 2025,
https://doi.org/10.1360/TB-2024-0732
转载、投稿请留言
| 关注科学通报 | 了解科学前沿
