利用高精度近红外光谱技术理解活动星系核的物理机制，并为解决H0张力问题提供线索

《New Astronomy》：Precision near-IR spectroscopy for understanding AGN physics and shed light on the H0 tension

　　•我们提出了利用GRAVITY(+)对活动星系核进行近红外反射映射的科学依据。该技术结合光谱天体测量学，可提供独立的H0测量方法。SHARP还能进一步揭示活动星系核的宽线区域结构及其演化规律，同时提升超大质量黑洞质量的测量精度。

引言
活动星系核是由位于星系中心的超大质量黑洞吞噬气体而产生的，这类黑洞的质量在106–1010M⊙之间，其发出的光亮在大多数电磁波段上都超过宿主星系的恒星辐射。观测证据表明，超大质量黑洞的质量与宿主星系的特性之间存在某种比例关系，因此活动星系核与其宿主星系应共同演化（例如Magorrian等人，1998年；Gebhardt等人，2000年）。在未被遮蔽的（1型）活动星系核中，一个显著的观测特征就是存在宽度达数千公里/秒的宽线发射谱线。这些谱线源自宽线区域，即一个由紧密气体构成的区域，这些气体受超大质量黑洞的引力束缚，同时被吸积盘中的高能辐射电离。对于大多数活动星系核而言，宽线区域在空间上难以分辨，因为其大小相当于几光天到几光月，远远低于即便使用最大望远镜进行直接成像所能达到的角分辨率。反射映射技术为探测这些区域提供了一种有效的间接方法。该技术利用了活动星系核本身的变化特性：通过监测宽线区域发射谱线通量对电离连续谱变化的延迟响应，就可以确定宽线区域的特征半径RBLR≈cτ，其中c为光速，τ为连续谱与宽线区域响应之间的时间差。结合宽线谱线的速度宽度ΔV，就可以通过维里关系式MBH=fRBLRΔV2G来估算黑洞质量，其中的f为维里因子，它由宽线区域的几何结构、运动状态以及倾角共同决定（Peterson，2014年）。

在过去几十年里，人们已经对数十个附近的活动星系核进行了反射映射研究，主要利用的是如Hβ这样的光学宽线（例如Peterson，1993年；Peterson，2014年）。这些测量结果建立了宽线区域半径与亮度的经验关系式，使得基于反射映射技术的黑洞质量估算方法能够通过单时期光谱观测扩展到更大的活动星系核样本上。因此，目前广泛使用单时期维里质量估算方法来推断宇宙中数十万个体活动星系核的超大质量黑洞质量（例如Shen等人，2011年；Dalla Bontà等人，2020年），这种方法还有助于研究超大质量黑洞与宿主星系大小关系的演化趋势（例如Trujillo等人，2004年；Bennert等人，2010年）。除了质量测量之外，反射映射技术还揭示了宽线区域的复杂结构。尽管取得了诸多成果，但维里质量估算仍存在系统误差。尤其是，对于大多数活动星系核来说，维里因子f是无法直接测量的，传统上是通过将反射映射得到的活动星系核数据与静止星系的MBH–σ?关系式进行对比来校准的（Onken等人，2004年；Bennert等人，2011年；Park等人，2012年）。另一种有前景的方法是通过对宽线区域进行动力学建模，即用基于物理原理的模型直接拟合反射映射数据，从而得到不依赖于假设维里因子的黑洞质量（例如CARAMEL代码，Brewer等人，2011年；Pancoast等人，2011年；Williams等人，2018年；Williams等人，2020年；Villafa?a等人，2022年；Wang等人，2026年）。除了质量测量之外，反射映射技术还揭示了宽线区域的复杂结构：多线谱及速度分辨观测结果显示出明显的径向分层现象，高电离度的谱线比低电离度的谱线响应时间更短（例如Clavel等人，1991年；Grier等人，2013年；De Rosa等人，2015年），而动力学建模则揭示出了包括旋转、内流和外流在内的多种运动特征（例如Williams等人，2020年；Villafa?a等人，2022年；Wang等人，2026年）。越来越多的证据表明，维里因子f并非普遍恒定，而是取决于宽线区域的结构、倾角以及吸积特性（例如Villafa?a等人，2023年；Villafa?a等人，2026年）。Bennert等人（2026年）的最新研究进一步支持了宽线区域动力学建模的合理性，他们发现，通过CARAMEL模型计算得到的活动星系核内部结构倾角与宿主星系的大尺度结构并无关联，这一结果表明宽线区域实际上与内部的吸积流有关，而非宿主星系的结构。

哈勃常数H0决定了宇宙的绝对距离尺度，同时也反映了当前宇宙的膨胀速率。尽管在观测宇宙学领域取得了重大进展，但通过早期宇宙观测指标和晚期宇宙距离标志物得到的H0数值之间仍然存在显著且持续的分歧。这种所谓的“哈勃张力”已成为现代宇宙学中最突出且长期存在的矛盾之一，根据所采用的数据集和假设不同，其统计显著性目前处于4–6σ水平（Di Valentino等人，2021年）。早期宇宙中H0的测定主要是基于对宇宙微波背景辐射的观测，这些观测结果是在标准的平坦ΛCDM宇宙学模型框架下进行分析的。Planck 2018年的分析结果显示，在六参数ΛCDM模型下，H0的值为67.27±0.60kms?1Mpc?1（Planck Collaboration，2020年）。如果再考虑宇宙微波背景辐射的透镜效应，得到的结果几乎相同，为H0=67.36±0.54 km s?1 Mpc?1。其他独立的宇宙微波背景辐射观测实验也基本支持这一较低的值：结合ACT和WMAP数据进行的分析显示H0=67.6±1.1 km s?1 Mpc?1，而SPT-3G在相同的宇宙学假设下得出的H0值为68.8±1.5 km s?1 Mpc?1（Aiola等人，2020年；Dutcher等人，2021年）。

与早期宇宙观测不同，晚期宇宙中H0的测定依赖于对附近宇宙中物体距离和红移的直接观测，而且基本上不受早期宇宙观测假设的影响。目前最精确的H0测定结果来自SH0ES合作组，该团队使用了以造父变星为校准基准的Ia型超新星距离阶梯。最新的SH0ES研究结果是基于42颗Ia型超新星得出的，H0值为73.2±1.3kms?1Mpc?1，这一数值与Planck的测量结果相比存在4.2σ的差异（Riess等人，2021年）。其他晚期宇宙距离标志物也大多支持较高的H0值。附近活动星系核吸积盘中的水巨脉泽能够提供纯粹的几何距离信息，最新研究显示，对于六颗水巨脉泽样本而言，其对应的H0值为73.9±3.0 km s?1 Mpc?1，这一数值与Planck的测量结果存在差异（Pesce等人，2020年）。强引力透镜时间延迟宇宙学方法也为H0的测定提供了另一种独立途径，最近对八颗多重成像类星体的分析结果显示H0值为71.6?3.3+3.9 km s?1 Mpc?1（Tdcosmo Collaboration等人，2025年）。

由于多种独立方法都存在哈勃张力现象，因此很难以某一种尚未被发现的系统误差来解释这一现象，而这种误差不可能仅影响早期宇宙或晚期宇宙的观测结果。如果哈勃张力并非源于观测系统误差，那么它可能意味着标准ΛCDM模型之外存在着新的物理机制。目前已有各种理论解决方案被提出，包括早期暗能量、额外的相对论性自由度、相互作用的暗物质成分以及引力的修正等，其中一些方案可以通过引入新的参数和简化模型，将哈勃张力降低到1–2σ的水平（Di Valentino等人，2021年）。不过，目前还没有哪种理论修正方案能够得到普遍认可。

在这种背景下，独立且完全基于几何原理的宇宙距离测量方法就显得尤为重要。那些不需要交叉校准的方法可以为基于距离阶梯的H0测定结果提供重要的验证手段。

方法概述
SARM方法：结合反射映射与光谱天体测量学
活动星系核的宽线区域辐射为几何距离测量提供了独特的机会。通过将反映宽线区域实际大小的反射映射技术与对其角尺寸的干涉测量技术相结合，就可以无需依赖任何校准因素就能推断出角直径距离。GRAVITY是位于VLTI上的第二代近红外光束合成仪，它能将四个8米口径的单元望远镜发出的光同步合并，从而形成六个同时工作的基线。

SHARP与NEXUS：实现近红外反射映射
如前文所述，目前只有少数非常明亮的活动星系核适合进行红外反射映射研究，即便对于这些目标来说，这项工作依然具有很大挑战性，而对于未来通过GRAVITY+进行观测的天体来说，则更无法实施。SHARP是一种为极大望远镜设计的多模式近红外光谱仪，它能够充分利用39米口径望远镜的收集面积以及自适应光学系统所提供的宽场校正功能。尤其是NEXUS多目标光谱仪……

作者贡献声明
Matilde Signorini：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、正式分析、数据整理、概念构建。Vardha N. Bennert：撰写——审阅与编辑、方法论、研究实施、数据整理、概念构建。Elena Dalla Bontà：撰写——审阅与编辑、概念构建。Federica Ricci：撰写——审阅与编辑、验证、概念构建。Lizvette Villafa?a：撰写——审阅与编辑、方法论、研究实施、概念构建。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢
MS感谢欧洲航天局研究奖学金计划提供的支持。

Matilde Signorini|Vardha N. Bennert|Elena Dalla Bontà|Federica Ricci|Tommaso Treu|Lizvette Villafa?a