摘要：一部分星系的核区存在剧烈的非恒星活动起源的多波段电磁辐射，这类星系被称为活动星系，其核心称为活动星系核.一般认为，超大质量黑洞(其质量是数百万倍乃至数百亿倍太阳质量)通过其强大的引力吸积周围气体形成的吸积盘是活动星系核的中心引擎.理解这一物理过程和测量超大质量黑洞的物理参数，对认识强引力场下的磁流体物理、超大质量黑洞的宇宙增长历史和活动星系核的反馈以及宇宙大尺度结构形成有重要的意义.多波段连续谱的光变(即光度随时间的变化行为)是活动星系核的鲜明特征，可以被用来从时域的角度测量宇宙学距离上的活动星系核的中心引擎的结构、尺寸和超大质量黑洞的质量以及自旋.本文介绍了活动星系核光变行为的基本概念，概述利用光变研究活动星系核物理过程和测量超大质量黑洞质量等方面的主要进展，并对活动星系核的光变研究领域进行展望.
关键词：活动星系核;超大质量黑洞;吸积;时域天文
现在，天文学家普遍认为每一个典型的大质量星系中心都寄居着至少一个超大质量黑洞[1].这些超大质量黑洞的质量为百万倍到数百亿倍太阳质量，且与寄主星系的物理性质(比如核球质量和恒星速度弥散度等)存在紧致的相关性[2-3].超大质量黑洞可以通过其强大的引力场吞噬周围气体(该过程被称为黑洞吸积过程)[4].在掉入黑洞的过程中，被黑洞吸积的气体会释放其引力能，通过黏滞过程(其物理起源并不是常见的分子黏滞，而很可能与磁旋转不稳定有关[5-6])将引力能转变成为热能，加热气体温度，从而使得这些高温气体产生剧烈的多波段电磁辐射.这类中心超大质量黑洞活跃地吸积气体的物理过程被认为是活动星系核(activegalacticnucleus，AGN)的中心能量机制.
通过各种观测手段，天文学家已经发现超过百万个AGN候选体[7].基于AGN的研究，天文学家能够获得多方面的天体物理知识：1)黑洞吸积气体中的磁湍流物理过程(例如，引起黏滞的磁旋转不稳定性)[8-9];2)黑洞附近强引力效应对广义相对论的检验(例如，利用X-射线光变和光谱观测，或亚毫米波干涉给黑洞成像、测量黑洞自旋以及检验广义相对论)[10];3)极端物理条件下的原子分子物理过程;4)AGN样本普查和黑洞质量的宇宙学演化[11];5)黑洞质量和活跃性与星系性质的关系(即黑洞与寄主星系共同演化)[3];6)黑洞吸积对宇宙大尺度结构形成的反馈物理过程[12].
非周期性的多波段光变(即光度随时间的变化)是AGN的鲜明特征[13]，其涉及的时标从小时、天到年乃至数十年不等，为研究AGN和超大质量黑洞提供了独一无二的视角.这一事实部分是因为超大质量黑洞吸积涉及的空间尺度太小(太阳系尺度)，而这些黑洞离地球的距离又太遥远(即宇宙学距离，超过百万倍秒差距，或3.08×1019km)[14].对于绝大部分AGN，现有的(空间和地面)望远镜无法直接从空间上分辨超大质量黑洞吸积的物理尺度.此外，光在超大质量黑洞的史瓦西半径(即无自旋黑洞的视界面半径)尺度上的传播时标约为103s，这一时标也是光变时标的下限.通过研究AGN的光变曲线，天文学家可以获得黑洞吸积气体的物理尺度等关键信息.事实上，正是Matthews等[15]早年分析了AGN的光变时标，给出了AGN中心引擎的尺度上限.这一上限结合其他观测结果排除了一部分理论模型[16]，确认AGN的中心能源机制是超大质量黑洞吸积气体这一物理过程.
经过约半个世纪的研究，天文学家在利用光变研究AGN的天体物理方面取得了巨大的进展.Uttley等[17]综述了X-射线反响映射的理论、观测和统计方法.Peterson等[18]重点阐述了宽线反响映射研究.Vaughan等[19]详尽地介绍了描述AGN光变的统计学理论和分析手段.这些进展涉及许多方面，无法一一枚举，本文只讨论射电宁静的AGN，挑选其随机光变的数个方面的进展进行介绍和综述.
本文分为以下几个部分：首先讨论光变与反响映射研究，以及黑洞质量和自旋的测量方法;其次讨论光变的一般特性和物理本质;最后对AGN的光变研究进行展望.图1宽发射线反响映射技术的原理示意图Fig.1Illustrationofthebroad-linereverberation-mappingtechnique
1光变与反响映射
根据黑洞“无毛”定理，稳态黑洞仅由3个参数描述：质量、自旋和电荷.天体物理环境下的黑洞一般不携带电荷，否则由于库仑力的作用，黑洞将迅速从周围环境吸引相反的电荷，使得黑洞自身电荷被中和.测量黑洞质量和自旋是AGN研究的一个极其重要的课题.
AGN光变研究的一个或许最为典型的例子是利用宽发射线的反响映射技术测量黑洞质量[20].由于来自黑洞附近吸积盘的高温气体产生的电离光子照射，围绕超大质量黑洞高速运动的云团将产生宽发射线(即发射线因为云团的高速运动而被多普勒展宽).这些宽发射线的展宽对应的多普勒速度可达数千乃至数万km/s.如果天文学家可以进一步测量宽发射线的辐射区(即宽发射线区)离中心黑洞的距离，并假定宽发射线区云团的动力学由黑洞引力主导，那么天文学家可以利用唯里定理计算黑洞质量(这一思路和计算太阳质量的方法相似)。
2、光变的物理起源
如前所述，基于光变的反响映射技术取得了极大的进展，然而天文学家对光变的物理本质仍不明确.AGN的中心引擎被广泛地认为是几何薄光学厚的静态黑洞吸积盘，即所谓静态的标准薄盘[46].按照静态的标准薄盘模型，吸积率变化所需的黏滞时标长达数百乃至千年，远远超过天文学家的观测时间.因此，AGN的光变观测结果与静态的标准薄盘模型并不兼容，给AGN中心引擎的物理模型带来了严峻的挑战.
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一种缓解上述冲突的途径是引入X-射线照射[47].X-射线被广泛认为来自于黑洞周围的高温等离子体，即所谓X-射线热冕，其流量可以随时间快速变化，可能起源于热冕的磁湍流.当部分X-射线照射在温度更低的静态的标准薄盘时，部分X-射线光子被薄盘表面气体吸收和热化，以紫外和光学光子再辐射.因此，快速变化的X-射线可以诱导紫外和光学光变.这一模型也可以自然地解释AGN在不同波段的连续谱辐射的相关关系.根据X-射线照射模型，紫外光学的光变落后于X-射线，且对应的时间延迟等于X-射线光子传播到静态的标准薄盘的紫外光学辐射区所需的时间.然而，这一经典的X-射线照射模型也面临光变观测数据的诸多挑战.
第一，最近的观测研究表明，X-射线与紫外光学的相关性较弱.具体而言，X-射线光变曲线中包含的高频成分无法在紫外光学光变曲线中找到对应体，和X-射线照射模型的基本假设冲突[45].
第二，X-射线和紫外光学的时间延迟，以及紫外与光学的时间延迟比预期的光子以光速传播的时间高出约两倍(即前述“吸积盘尺度超标”问题)甚至更多[45].
第三，AGN的颜色光变，即不同波段的辐射光度之比随时间的变化行为，依赖于光变时标.这一观测事实与X-射线照射的预期不符[48].
第四，AGN的光变参数，诸如光变幅度、特征时标、功率谱的形状等，往往与黑洞质量、光度、波长和宽线蓝移速度等物理参数存在相关关系[9，49].X-射线照射模型对此并无明确的解释.
第五，X-射线的光变幅度与光学光变幅度之间缺乏紧致的相关关系[50].X-射线的光变幅度与黑洞质量有着显著的反相关关系[50]，这也为测量黑洞质量提供了一条新的途径.光学的光变幅度则与AGN的光度有更显著的相关关系[9].这些观测事实也和X-射线照射模型冲突.
第六，一部分AGN在紫外光学波段存在“变脸”现象，即紫外光学宽发射线存在消失和出现的现象[51].这些现象往往伴随着连续谱数倍乃至数十倍的光变幅度，变化的时标是数百天到数年不等，无法用静态的标准薄盘的吸积率剧烈变化加以解释.如若“变脸”现象起源于X-射线照射的变化，其要求的X-射线光度远远超过观测值[52].
这些观测与理论的某些严重冲突可以通过引入更为复杂的物理过程加以解决.例如，“吸积盘尺度超标”问题可以由吸积盘的大气辐射转移过程[53]或者吸积盘的外流过程[54]解释.这些复杂的模型并没有同时解决以上所有难题.上述观测与理论的严重冲突被归纳为AGN的黏滞危机[55]，表明天文学家对AGN中心引擎的关键物理过程(即通过磁湍流产生的黏滞转移角动量过程)的认识并不清楚.
3总结和展望
自20世纪60年代发现AGN以来，光变在AGN研究中扮演着重要的角色.在21世纪的前20年里，天文学家对光变展开了多波段和多时间尺度上的观测研究，展示了利用反响映射技术和光变分析来研究AGN物理过程和测量黑洞质量和自旋的潜力.
在下一个20年里，天文学家的任务将是利用时域天文时代海量AGN的光变数据，系统地研究超大质量黑洞周围的质量、自旋，黑洞周围的时空结构、气体动力学基本天体物理过程.为此，天文学家应该在光变理论、数据积累和分析等方面紧密合作.
尽管磁耦合模型为光变与黑洞吸积理论在多方面的严重冲突提供了一个全面的解决方案，该模型的诸多细节还有待完善，其基本假设有待黑洞吸积数值模拟加以检验.此外，该模型无法应用于X-射线光变.未来，发展出包含X-射线热冕的含时演化的磁耦合模型将是一个重要的课题.此外，认识宽线区的几何结构和动力学信息，确定常数因子f，可以缩小基于宽线反响映射的黑洞质量测量的误差.
对一个具有足够代表性的AGN样本进行多波段和多时间尺度的观测数据积累将是未来时域巡天的核心任务.目前已有数个多目标反响映射项目正在运行(比如，SDSS反响映射项目[58]和BlackHoleMapper项目).多个时域观测设备即将在未来数年内投入使用.其中，国际时域巡天旗舰项目LSST(LegacySurveyofSpaceandTime)以及我国中国科学技术大学和紫金山天文台联合建设中的宽视场巡天望远镜，将分别在南天区和北天区为AGN光变研究提供海量光学光变数据.我国主导的爱因斯坦探针(EinsteinProbe)X-射线望远镜将有望产出高质量X-射线光变数据.此外，我国规划中的空间站望远镜将提供非常有价值的多目标测光数据，增加AGN光变研究的时间跨度.
总之，作为和活动星系核几乎同步被发现的一种物理现象，AGN的光变在过去20年内取得了非常重要的进展.在时域天文时代，光变将是研究AGN天体物理的关键手段.——论文作者：孙谋远*，黎婷
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