^☆本文源自国家自然科学基金委员会政策局2017年12月完成的《学科发展态势评估系列研究报告》之《天文学十年：中国与世界》。

从1940年代开始,天文学家发现某些星系的核区具有完全不同于星系其他区域的光谱,呈现出非恒星特性。这表明核区辐射不再是由恒星产能主导,从此拉开活动星系核（以下简称AGN）研究的序幕。1963年发现的以大红移和高辐射光度为特征的类星体将AGN研究推到天文和物理学的前沿,直到今日AGN又与星系形成和演化、大质量双黑洞低频引力波辐射探测密切结合在一起,研究达到一个前所未有的高潮。AGN观测的现象十分丰富,连续谱辐射从射电波段延伸到几十TeV,甚至PeV能段;同时,发射线谱从红外、光学、紫外延伸到X射线波段。这一领域以广义相对论、辐射流体力学和光谱学为主要研究手段,主要研究内容涉及黑洞形成与宇宙学演化、强引力场流体和辐射物理过程、相对论与辐射机制,AGN全电磁波辐射能谱起源和性质;黑洞质量、角动量和吸积率等基本参数测量及其宇宙学演化;黑洞与星系共同演化;AGN统一模型;大质量双黑洞和低频引力波探测和宇宙再电离过程等。AGN是当代天文和天体物理学科的主要支撑方向之一,国际上大约有1/4~1/5的天文学家在这个领域工作,新思想和新现象不断涌现,竞争十分激烈。

在过去10年中本领域的重要及热点问题如下。

（1）黑洞基本参数测量及其宇宙学演化

当认识到AGN是以大质量黑洞吸积为能源机制后,测量黑洞基本参数,特别是黑洞质量和自转角动量旋即成为此领域的基础性课题,特别是考虑到黑洞与星系共同演化的可能规律;但因为黑洞引力的有效范围远小于望远镜的空间分辨能力,不同于正常星系,我们不能按照星系动力学方法测量黑洞质量。因此这是该领域最具挑战性的课题之一。从1980年代开始,天文学家以光谱监测为主要观测手段,对40多个AGN进行了长期监测, 但是主要集中在宽线区结构和动力学范畴内,为测量黑洞质量付出了巨大努力,但测量精度与科学需求还相差甚远。在这些以测量Hβ时间延迟为主的反响映射观测中,人们发现了宽线区尺度与光学光度之间的关系,简称为R-L关系。利用它可以较为可靠地估计本地黑洞质量;拓展这一关系,可使人们估计任意红移类星体中的黑洞质量。因此R-L关系获得了学术界的极大欢迎和广泛认可,已成为AGN研究进展中的一大里程碑。利用反响映射观测测量黑洞质量精度大约为0.2~0.3 dex,基于R-L关系估计黑洞质量所获精度大约为0.5 dex。目前对黑洞质量的测量仍只能称为“估计”,不确定的因素很多,特别是宽线区结构和动力学。最近发展的以宽线区结构和动力学建模为基础的马尔科夫链的蒙特卡罗模拟是一个十分有希望的技术,模拟精度与观测数据质量有关,最高可达10%左右,但是这一技术的系统误差还没有准确的定量估计。

相比之下,单个黑洞自转测量更显得捉摸不定。传统的6.4 keV的铁Kα方法早在1989年就已经被提出,这个方法利用了广义相对论引力红移和多普勒展宽效应,由于受到硬X射线反射谱的影响,能够获得成功测量的源更倾向于那些高速自转的黑洞。利用吸积盘模型测量黑洞自转,由于受限于黑洞质量的测量和吸积盘物理模型,所得结果具有很大的不确定性和模型依赖性,这使得黑洞自转演化的研究变得更加困难。此外,通过单个黑洞的辐射效率可以得到自转信息,这个方法依赖于宽波段能谱分布。

黑洞质量和自转的宇宙学演化可以从统计学角度独立研究。1983年Soltan等人利用类星体光度函数得到了吸积获得的质量,并与本地黑洞密度进行了比较,得到了其质量演化主要通过吸积的结论。在获得黑洞活动比例（duty cycle）之后,可以得到黑洞吸积效率和自转演化性质,人们随即发现黑洞自转随宇宙学时间而下降。未来数年内eRosita的长期巡天观测可以得到大量AGN的铁Kalpha性质,获得高质量自转信息;同时黑洞质量测量精度大幅提高后,获得较为准确的黑洞质量函数将极大地有助于黑洞自转及其演化的研究。

近年来,中国天文学家针对高吸积率的AGN利用丽江2.4 m望远镜进行了长期光谱监测,发现了这类AGN的观测性质受到吸积率的极大影响,特别是发现宽线区的尺度随吸积率的增加而缩小,出现饱和光度特征。这类AGN的宽线区处于维里化状态吗?如何可靠地测量这类黑洞的质量?作为AGN的前沿领域,还有很多问题有待解决。

（2）黑洞与星系共同演化

1998年Magorrian等人利用哈勃空间望远镜,测量了大约三十几个正常星系的黑洞质量和核球质量,并发现了黑洞质量与核球的强相关,包括随后发现的黑洞质量与星系速度弥散之间的强相关,标志着黑洞与星系共同演化研究领域的诞生。这是AGN和星系两大研究领域的一个里程碑式的进展,它把在两个几何尺度上相差8~9个量级的区域密切联系在一起。令人不解的是,两者的质量通过何种方式在协调中获得增长?在随后十几年里,科研人员以极大的热情集中研究了在不同形态和不同光谱类型的星系中以及不同红移的样本中,黑洞和核球的相关关系。除了确定了“伪核球星系中黑洞质量显著低于Magorrian关系”之外,目前天文学家尚未得到其他可靠的结论。这里的核心问题仍然是如何可靠地测量黑洞质量。目前黑洞质量测量的精度低于共同演化的变化,建立满足精度要求的测量方法和经验公式是亟待解决的重大科学问题。另一方面,针对观测需要的“反馈”理论学家主要集中对外流和辐射为机制的两类问题进行了系统研究。大量的数值模拟表明,这两类反馈机制可以有效地抑制恒星形成,可成功解释共同演化现象。但问题是,观测上尚未系统地找到反馈导致的其他效应和现象。目前一个主要课题是寻找AGN外流的各种观测特征以及反馈机制的主要观测证据。

（3）AGN结构演化和统一模型

AGN主要由四大区域构成：窄线区、尘埃环、宽线区和吸积盘。邻近AGN的窄线区可以空间分辨,这个区域的物理本质是在kpc尺度上星际介质的光致电离所产生的辐射。尽管得到了这个区域的图像,但是何种因素控制了其空间尺度以及辐射强弱如何仍然是未解决的重要可题,特别是一些大质量的类星体,其窄线区十分微弱,甚至没有。理论上猜想可能与AGN反馈有关。尘埃环的外区可以空间分辨,内边缘大小主要由近红外连续谱对光学辐射的时间响应确定。日本天文学家对此作出了巨大贡献,他们发现了内边缘尺度与光学光度关系,同时这个区域也确定了宽线区的外边缘。宽线区基本上由低电离区和高电离区组成。前者以Hbeta（和MgⅡ）为特征谱线,后者以CIV为特征谱线。低电离区的大小通过测量Hbeta的时间响应而获得;高电离区测量很少,只有数个高红移类星体测量过CIV的反响映射。相同光度AGN中高电离区显著小于低电离区。对于更小区域内的吸积盘,虽然有连续谱的光变测量,人们尚未能可靠地确定它的大小,但是一般认为是在宽线区以内。喷流则具有按照光子能量分布的几何结构,特别是EGERET（CGRO 上的一个仪器）和Fermi两架空间望远镜,使我们获得了空前认知。Blandford指出,受到低能光子与伽马光子的相互作用,喷流的辐射结构应该是从内到外能量减低,但是辐射区性质有待进一步研究。此外,大尺度喷流研究领域起步很早,认识相对成熟。

由于AGN的类型众多,是否一个模型就可以解释这些性质各不相同的子类尚待研究。其中又以射电强和射电宁静类星体最为困难,到现在也未能找到为什么存在射电强度双峰分布的本质。简单的尘埃环可以统一类型1和类型2的类星体,但是,近期出现了所谓“真正类型2”AGN,弱发射线类星体、贫尘埃类星体、无发射线类星体、弱X-ray辐射类星体等多种类型,使统一模型面临前所未有的挑战。

（4）大质量双黑洞与低频引力波探测

自从UGO发现双黑洞辐射引力波以后,低频（纳赫兹）引力波有望成为引力波探测的下一个突破口。但是,经过长达10年的观测,澳大利亚天文学家在仪器灵敏度内未能测量到低频背景引力波辐射。一方面需要提高脉冲星测时精度,另一方面亟待证认出邻近的大质量双黑洞。引力波源来自大质量双黑洞,因此,寻找这类双黑洞立即成为热点课题。在kpc距离尺度上,人们通过图像和光谱证认发现双活动核星系较为常见;但亚pc尺度的大质量双黑洞证认由于无法空间分辨而极具挑战性。从理论上,人们已建立了几种判选标准,比如连续谱光变的周期性、紫外连续谱缺失、X形状的射电形态、宽发射线线轮廓的周期性变化等。然而到目前为止,人们仅仅发现了几个候选体,尚未能确切证认它们就是大质量双黑洞系统。天文学家已经开始从光谱光变中寻找双黑洞存在的证据。

高红移类星体与宇宙再电离第一颗类星体诞生于何时?性质如何?它们在宇宙再电离过程中扮演了何种角色?这个问题的实质是大质量黑洞如何形成和演化,揭示黑洞形成之谜是天文学家长期以来孜孜以求的科学目标。SDSS发现了目前大多数的高红移类星体,到目前为止,最高红移的类星体为z=7.085,此时的黑洞质量已经达到10亿个太阳质量。如何在如此短暂的时间内迅速增长为超大质量黑洞,是一个十分令人困惑的基本问题。一方面,未来DESI将从大面积巡天中发现更多高红移类星体,或许能解开宇宙再电离之谜;另一方面,理论探讨也已经提出数种模型,有待与观测进行比较。

（5）活动星系核甚高能辐射

1990年代CGRO升空观测,人们首次获得了为数不多的AGN在1 MeV~30 GeV能段AGN的高能辐射。最近的Fermi观测使得AGN的高能辐射观测达到了前所未有的深度。地面HESS望远镜首次探测到了>1 TeV的甚高能光子,随后在以喷流为主的邻近AGN中也发现了> TeV的辐射。AGN甚高能辐射的重要意义在于它们也可能是高能宇宙线和中微子起源,这是一个与高能物理交叉的新方向。

中国AGN研究起步较早,由于受到观测设备的客观限制而发展缓慢,但近10年内发展迅猛。从1970年代开始,中国少数天文学家对类星体光变、光谱与证认、高能辐射以及类星体作为宇宙学天体测量宇宙学常数等问题进行了探讨。近10年来,中国在AGN领域的研究范围横跨整个领域,专职研究人员数量和质量大幅提高,同时研究团队和单位迅猛发展壮大。从2005–2014年间SCI论文的统计数据可以看出：美国和欧洲是该领域研究的主导地区,2010–2014年,美国、德国、英国的论文数量分别占世界总数的57.7%、26.3%、24.1%。中国论文的世界份额为8.5%,逼近日本（9.3%）和澳大利亚（9.3%）, 位列世界第9名。但从论文增长速度上看,中国论文的增长率为7.9%,高于世界平均水平（2.4%）和美国（2.1%）。2010–2014年,中国在该领域的论文被引频次世界排名为第13位。前后两个5年期相比,中国高被引论文数量从6篇增长到10篇,2010–2014年位列世界第19名。虽然中国在该领域与欧美有较大差距,但在论文数量方面已与日本和澳大利亚在国际上齐头并进,在高被引论文数量上也有一定的增长,高影响力论文产出能力有显著提升。

中国在AGN领域呈现出良好的发展势头,从事这方面研究的单位有：中国科学院国家天文台、中国科学院云南天文台、中国科学院上海天文台、中国科学院高能物理研究所、北京大学、中国科技大学、南京大学、厦门大学、华中科技大学、北京师范大学、天津师范大学、清华大学等。科研人员数量也在逐年增长。从观测角度来说,目前LAMOST大面积巡天为发现大量类星体奠定了基础,在某些天区获得了进展;丽江2.4 m望远镜分配了一定时间开展光谱监测性质特殊的AGN,集中在宽线区结构和动力学以及黑洞质量测量方面（国际上,越来越多的2~3 m的望远镜正在加紧这方面的测量工作,取得了世界瞩目的观测成果）;1 m级望远镜开展光变监测和利用窄带测光测量黑洞质量;通过合作等途径利用国外大型望远镜少量时间对特殊光谱类型的AGN进行了观测,同时丽江2.4 m和兴隆2.16 m望远镜对高红移类星体进行了证认,发现了几十颗红移5~6的类星体,填补了过去的空隙;此外,利用大量公共数据,包括射电、红外、光学、紫外和X射线对AGN中黑洞自转、喷流、外流、吸积过程以及星系与星系的相互作用等进行了深入研究。在黑洞质量测量、高红移类星体和特殊光谱类型类星体研究中取得了有较大国际影响的成果。

活动星系核研究是当代天文学的重大研究方向之一。在未来10年内,预期会在如下领域内取得进展和突破：（1）相对论性喷流形成;（2）宽线区的形成和演化;（3）黑洞吸积原料问题与尘埃环形成;（4）大质量黑洞的形成和演化;（5）黑洞与星系的共同演化。这些领域的国际竞争十分激烈,大型仪器设备均把AGN作为主要研究对象,比如：在中国拥有4~6 m级望远镜之时,国际同行即将使用30 m级设备研究高红移类星体和空间分辨邻近的AGN;LSST大面积决速巡天能力使得时域天文学机遇越来越集中在欧美强国。在这样的国际背景之下,如何进一步迅速提高中国在该领域的国际地位是一个极具挑战的问题。一方面,我们应快速深化对现有科学问题的理解,积极寻求与其他领域的交叉,找准突破点,产生原创性科学思想,充分利用现有和未来设备获得个别方向的突破;另一方面,我们还要积极加强国际合作,寻找科学机遇。