北京
白矮星等致密星被认为存在于AGN吸积盘中，但它们之间的动力学机制及可能的观测现象仍不明确。AGN的光变、变脸和超太阳金属丰度等现象，涉及极端环境中的能量转移和重元素起源等宇宙奥秘，亟需理论的解释，而AGN盘中白矮星的碰撞或许能为这些问题提供答案。中国科学技术大学袁业飞教授课题组在《科学通报》发表评述文章，讨论了AGN吸积盘中白矮星的相撞，以及该爆发事件可能的观测效应。
核球星团中的致密星或恒星在运动过程中会与AGN盘相互作用，交换能量和角动量，最终趋于盘平面运动。另外，AGN盘外区也可能由于引力不稳定而塌缩形成恒星，最终演化为白矮星并向内迁移。盘上的白矮星一般不会通过吸积而超过临界质量发生塌缩，因为吸积会使白矮星自转加快至shedding limit。盘上白矮星的动力学却是丰富的，因为其在盘上的二维平面中运动，相较于三维运动，极大地增加了致密星之间的相互作用概率。当盘上的两颗白矮星轨道间隔减小后，可能会与中心SMBH构成限制性三体系统。通过模拟盘上白矮星的动力学，发现该三体系统是不稳定的。若将两白矮星视为质点，则它们可能在非常近的交会过程中辐射出足够的引力波，相互捕获形成束缚的双白矮星系统并最终合并。然而，考虑到白矮星半径较大，不能将其视为质点，实际上两白矮星会在捕获形成束缚双白矮星系统之前就直接相撞。定量的数值模拟证实了该过程，并且进一步表明该碰撞在AGN盘上是非常高效的。估算发现，该事件率可达1%的Ia超新星事件率。
白矮星相撞会导致热核爆炸，是Ia型超新星的起源之一。Ia型超新星被用作标准烛光，测量出了宇宙的加速膨胀。因此，研究AGN盘环境中白矮星相撞的观测效应及其与常规Ia型超新星的异同，具有重要的科学意义。
与常规Ia型超新星一样，双白矮星相撞导致的热核爆炸绝大部分能量以动能形式存储在爆炸物中，约10%的能量以中微子逃逸，约1%的能量通过电磁波辐射。通常，大部分动能不会有效转化为电磁辐射。然而，在AGN盘环境中，由于中心SMBH的引力及高密度气体的影响，这部分动能可能被有效利用，产生显著的电磁辐射。研究比较了热核爆炸抛射物与扫过盘物质的质量，发现AGN盘内区物质通常远小于抛射物，因此抛射物会以几乎初始爆炸速度冲出AGN盘。通过计算抛射物的运动轨迹，发现一部分物质逃逸出AGN系统，而另外超过半数的抛射物会在SMBH引力作用下又回落到AGN盘。并且回落的时间和空间位置都较为分散，因此抛射物与盘物质会充分作用，将其动能转化为内能，并主要以热辐射形式释放掉。该辐射主要在硬X射线到软伽马射线能段，光度可达10 43 erg s- 1 ，远超该能段的AGN背景辐射。对于邻近AGN中的此类事件，有望被未来的MeV探测器检测到。
该事件的观测效应还不止于此。对于较薄的AGN盘或中心SMBH质量较小的情况，回落物质会显著破坏AGN盘内区，导致AGN光度暂时下降，而后经过吸积时标又恢复。这在观测上对应于“变脸AGN”。此外，超新星爆炸产生的抛射物将增加AGN金属丰度，这支持了AGN的超太阳金属丰度的观测事实。
白矮星在AGN盘中的相撞是双致密星碰撞的一种，其他类似事件还包括AGN盘中WD-BH、WD-NS和恒星-BH的相碰撞。该研究意味着，若这些碰撞导致的爆发事件也能产生大量动能，则可能产生类似的观测效应，特别是MeV能段的光变。随着MeV观测空缺的逐步填补，AGN吸积盘中的爆发事件将得到更全面的研究。未来结合引力波、中微子等多种信使，有望确认AGN盘中致密天体的存在，并进一步理解其演化及其在AGN中心引擎活动中的重要角色，为AGN光变、变脸、重元素起源等观测现象提供更深入的诠释。
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”。
张书瑞, 罗沿, 袁业飞*. 活动星系核吸积盘中白矮星碰撞及其观测效应. 科学通报, 2025,
https://doi.org/10.1360/TB-2024-0603
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