活动星系核中的“甜甜圈”是怎么形成的？

活动星系核（active galactic nuclei, AGN）是宇宙中最明亮的天体之一，其中央黑洞质量可达百万至数十亿倍太阳质量，中央黑洞通过吸积周围气体释放出巨大能量。在活动星系核统一模型中，一个形状类似“甜甜圈”的尘埃环被认为是造成不同类型活动星系核观测差异的关键结构——当尘埃环与观测视线夹角不同，由于尘埃环的遮挡效应，观测者看到截然不同的光谱特征（图 1）。尘埃环被中央黑洞吸积盘辐射的照射加热而辐射红外光子，这已被天文学家观测到。然而，这个尘埃环究竟如何形成的，长期以来一直是个未解之谜。组成的这个几何厚“甜甜圈”的尘埃团块之间不可避免地会相互碰撞，难以长期稳定存在，这是另一个让天文学家倍感困惑问题。

近日，浙江大学物理学院曹新伍、岑人岳教授与合作者组成的研究团队提出了一个全新的物理模型，首次系统解释了活动星系核尘埃环中大量尘埃团块的形成机制，以及这些团块如何构成一个几何厚动态平衡尘埃环。该项成果以《活动星系核尘埃环中气体团块的形成》为题，于2026年3月11日发表在国际主流物理期刊《物理评论D》（Physical Review D, Volume 113, 16）。

研究团队从活动星系核的物理环境出发，构建了一个清晰的物理图像：在星系中心区域，环绕核区的热气体持续落向中央黑洞，并在亚秒差距尺度上形成一个旋转的热气体盘状结构。当吸积率足够高时，这部分流入的热气体会因热不稳定性而发生凝结，形成大量细小的冷尘埃气体团块（图 2）。该项研究的核心在于提出了这些冷尘埃团块的垂直支撑机制，当团块具有合适的柱密度时，吸积盘辐射和尘埃环的红外辐射压力能够与黑洞引力在垂直方向达到准静态平衡。换句话说，辐射压力像无形的“手”，将尘埃团块托举在盘面上方，防止它们塌缩回盘面。在这一机制下，对于选取任何合理范围内的参数值，尘埃环都能够稳定存在，而且避免了团块之间频繁碰撞。

随着天文望远镜灵敏度的提高，天文学家发现低光度活动星系核通常没有尘埃环，该项研究团队通过定量分析发现，旋转流中的热气体只有在吸积率高于约1%的爱丁顿吸积率时，才能有效凝结形成尘埃气体团块，此时，黑洞吸积盘的光度很低，辐射压力无法将冷气体团块从中平面提升起来，因而，该模型预言低光度活动星系核难以形成尘埃气体团块，即使已经存在尘埃团块，也无法形成一个几何厚的尘埃环。

该研究由浙江大学和华中科技大学的研究人员合作完成，得到了国家自然科学基金等项目的支持。