全天空巡天时代类星体X射线-紫外关系再探：红演演化与爱丁顿比无关性的新证据

《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》：Revisiting the X-ray-to-UV relation of quasars in the era of all-sky surveys

本研究针对活动星系核X射线与紫外辐射关系在红移演化及爱丁顿比依赖性方面长期存在的争议，结合SDSS DR16Q类星体目录与XMM-Newton、eROSITA全天巡天数据，构建包含136,745个类星体的样本。研究人员开发分层贝叶斯框架统一处理X射线探测与上限数据，首次发现LX(2 keV)-Lν(2500 ?)关系存在系统性红移演化：高红移处关系变平且内禀散射减小，表明吸积盘散射主导性增强及能量向冕区转移效率演化。研究还证实该关系与爱丁顿比无显著相关性，这对当前吸积流模型提出挑战。

　　

在探索宇宙中最明亮的持续能量源——活动星系核（AGN）的物理机制时，科学家们一直关注着其光谱能量分布中两个关键组成部分的关联：由吸积盘主导的紫外辐射和由高温冕区通过逆康普顿散射产生的X射线辐射。这种被称为X射线-紫外关系的相关性，自20世纪70年代末首次被发现以来，已被确立为AGN的一个基本普遍属性。通常用2 keV处的单色X射线光度L_X(2 keV)与2500 ?处的单色紫外光度L_ν(2500 ?)之间的幂律关系来描述，其斜率通常小于1（约0.6），这意味着随着光学光度增加，AGN的光谱能量分布变得越来越以盘为主导。

然而，尽管经过数十年的研究，这一关键关系的几个重要方面仍然存在争议或未知。其中最引人关注的问题之一是它是否随着宇宙时间（即红移）演化。大多数早期研究认为该关系不随红移变化，但近年的一些分析开始挑战这一观点。如果存在红移演化，将对我们理解吸积过程随宇宙时间的变化、AGN反馈机制、甚至将其用作宇宙学探针的可行性产生深远影响。另一个关键问题是该关系是否依赖于爱丁顿比（λ_Edd，即吸积率与爱丁顿极限之比），这是当前吸积流模型的一个重要预测。此外，以往研究受限于样本大小、选择偏差以及对X射线非探测源（上限数据）处理方法的不一致，导致不同研究结果间存在显著差异。

为了解决这些悬而未决的问题，Maria Chira等人利用史隆数字巡天（SDSS）第16次数据发布的类星体目录（DR16Q）与XMM-Newton存档数据以及SRG/eROSITA全天巡天第一次数据发布（eRASS-DE DR1）相结合，构建了一个前所未有的庞大样本，包含136,745个红移在0.5≤z<3.0范围内的类星体。这一样本量比以往研究大两个数量级，最大限度地扩展了类星体特性的动态范围。

研究团队开发了一种新颖的分层贝叶斯框架，能够统一处理X射线探测和非探测（上限）数据，通过准确建模X射线观测的泊松性质，实现了对探测和上限数据的均匀处理。该方法足够灵活，允许对X射线-紫外关系进行参数化和非参数化建模，从而能够可靠地推断其散射、红移演化以及对爱丁顿比等物理参数的依赖性。

关键技术方法包括：1）基于CIGALE（Code Investigating GALaxy Emission）代码的SED（光谱能量分布）拟合，用于计算单色紫外光度L_ν(2500 ?)并进行寄主星系消光校正；2）使用RapidXMM上限服务器和eSASS（eROSITA科学分析软件系统）的APETOOL任务，分别处理XMM-Newton和eROSITA的X射线孔径测光数据；3）分层贝叶斯建模，采用Stan和UltraNest软件进行哈密顿马尔可夫链蒙特卡洛采样和嵌套采样，推断L_X(2 keV)-L_ν(2500 ?)关系的参数后验分布。

X射线-紫外关系的非参数化探索

研究人员首先以非参数化方式探索X射线-紫外关系，将数据按紫外光度（Δlog L_ν(2500 ?)=0.5 dex）和红移（Δz=0.5）分组。结果显示，在固定红移下，随着紫外光度增加，推断的log L_X(2 keV)后验分布的峰值系统性地向更高值移动，且这种趋势是亚线性的。这一发现与先前研究定性一致，确认了AGN光谱能量分布随着吸积光度增加而越来越以盘为主导的基本图像。

红移演化的确证

通过比较不同红移区间内X射线光度后验分布的峰值，研究发现了一个轻微但系统性的红移演化趋势。对于紫外光度较低的两个区间，推断的log L_X(2 keV)后验分布的模式随着红移增加而向更高值移动，且这种趋势的幅度是紫外光度依赖性的——随着L_ν(2500 ?)增加而减弱。

参数化建模进一步证实了这一发现。当采用对数线性模型（log L_X(2 keV) = A·log L_ν(2500 ?) + x₀）时，研究发现斜率A和截距x₀都随红移系统变化。具体而言，斜率从低红移（z=0.5-1.0）的0.554±0.008减小到高红移（z=2.5-3.0）的0.411±0.017，而截距则从26.057±0.004增加到26.274±0.014。贝叶斯模型比较强烈支持红移依赖的模型，其贝叶斯因子对数比约为93，根据Jeffrey尺度，这是支持红移演化的决定性证据。

内禀散射的红移演化

研究还发现，X射线-紫外关系的内禀散射σ随红移增加而系统减小，从低红移（z=0.5-1.0）的0.414±0.004减小到高红移（z=2.0-2.5）的0.348±0.003。这种散射减小趋势与先前一些研究结果一致，可能与非同时观测引起的变异性、寄主星系污染或不同红移处吸积状态的多样性有关。

与爱丁顿比无关性的发现

通过将样本按爱丁顿比分为高、低四分位数，研究发现两个子样本的log L_X(2 keV)分布在统计上无显著差异。仅在约50%的红移-紫外光度区间中，科尔莫戈罗夫-斯米尔诺夫检验显示高、低爱丁顿比子样本来自不同分布，且无系统性趋势。

与QSOSED模型（A. Kubota & C. Done 2019）预测的对比揭示了显著差异。该模型预测L_X(2 keV)应随爱丁顿比增加而系统下降，反映了热X射线冕区尺寸随吸积率增加而减小的物理图像。然而，观测数据仅显示轻微（如果有的话）随爱丁顿比变化，导致模型预测与观测之间的差异在低λ_Edd处最为明显。

X射线微弱类星体种群

研究还识别出一个X射线微弱类星体亚群，其中约3%的类星体相对于全样本最佳拟合关系的Δα_OX<-0.3，约0.7%的类星体Δα_OX<-0.38（X射线光度比紫外光度预期值低至少1个量级）。这些比例低于先前一些研究报道的值，可能与样本选择标准和X射线探测阈值差异有关。对红化（光学吸收）与X射线微弱性之间潜在联系的初步探索表明，在某些紫外光度-红移区间内，红化类星体（Δ(g-i)>0.3）的X射线光度分布确实向更低值移动，中位数差异达Δlog L_X(2 keV)≈0.6 dex。

物理解释与讨论

在KYNSED模型（M. Dovciak等人2022）框架下对红移演化进行解释表明，观测到的趋势与吸积盘散射主导性增强以及更高比例的耗散能量转移到X射线冕区一致。分析识别出六个随红移系统变化的模型参数：黑洞质量、爱丁顿比、转移到冕区的总盘光度比例（L_transf）、冕区高度、倾角以及颜色校正因子（f_col）。其中，f_col和L_transf随红移增加，而冕区高度和倾角余弦（cos i）随红移减小。这些参数变化共同导致高红移处X射线-紫外关系变平，并可能暗示X射线玻色子校正存在红移演化。

研究结论强调，X射线-紫外关系的红移演化是系统性的，在所有互补模型中保持稳健，且观测数据强烈支持斜率和归一化都红移依赖的模型。这一发现对理解AGN吸积过程随宇宙时间的演化具有重要意义。同时，与爱丁顿比无关性的发现对当前吸积流模型提出了挑战，表明热X射线冕区的尺寸可能不像QSOSED模型假设的那样随爱丁顿比系统变化。

该研究的创新之处在于结合了前所未有的样本量和新颖的统计方法，为X射线-紫外关系提供了当前最严格的观测约束。未来更深的X射线和紫外观测，如叠加的eRASS1-5观测和DESI-DR1数据，将有助于通过扩展到更暗的类星体来确认这些趋势。此外，将稳健的物理模型与大型样本相结合，可用于评估黑洞物理参数（如单历元维里黑洞质量估计）的系统不确定性，进一步推动对活动星系核吸积物理的理解。