超大質量黑洞成長放緩之謎

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翻譯：劉奕征

校對：牧夫天文校對組

后期：王啟儒

責任編輯：王啟儒

隨著強大的紅外望遠鏡讓天文學家得以窺探越來越遙遠的過去，人們也發現了一些令人費解的現象。其中之一便是超大質量黑洞——這些挑戰物理學的龐然大物位于像銀河系這樣的大型星系中心。而事實證明，在高紅移時期，超大質量黑洞的增長速度遠比當今宇宙中快得多。

在宇宙演化史中被稱為“宇宙正午”的時期，超大質量黑洞經歷了極為快速的增長。自那以后，其增長速度便放緩了。“宇宙正午”大約始于大爆炸后20億年，結束于大爆炸后40億年，同時也是恒星形成活動的巔峰時期。

天文學家研究了過去數十億年中的一百萬個星系和八千多個處于增長中的超大質量黑洞并試圖回答一個難題：為何從大約100億年前的“宇宙正午”時期開始，超大質量黑洞的增長開始急劇放緩。左圖代表了過去快速增長的超大質量黑洞之一，右圖則代表了一個距離我們約30億光年的、增長較慢的超大質量黑洞。

Credit：X射線：NASA/CXC/賓夕法尼亞州立大學（Pennsylvania State University）/于志博（Zhibo Yu）

光學（哈勃空間望遠鏡（HST））：NASA/ESA/太空望遠鏡科學研究所（STScl）；

紅外：NASA/ESA/CSA/太空望遠鏡科學研究所（STScl）；

圖像處理：NASA/CXC/史密松天體物理臺（SAO）/P. Edmonds, L. Frattare

在《天體物理學雜志》上發表的一項新研究中，天體物理學家發現，如今的超大質量黑洞根本無法像過去那樣快速地吸積物質。這主要是由于缺乏冷氣體——超大質量黑洞偏愛的“食物”。天體物理學家有時將這種現象稱為“活動星系核的規模縮減”。

“理解超大質量黑洞的增長歷Pennsylvania State University）史是銀河系外研究最重要的課題之一，”作者寫道。超大質量黑洞的質量與宿主星系核球的質量及其速度彌散度之間存在緊密的相關性。此外，超大質量黑洞的長期平均吸積率與宿主星系的總恒星質量及其核球中的恒星形成速率之間也存在關聯。

“這些關系表明，超大質量黑洞與宿主星系是以一種協同的方式演化的，”研究人員解釋道。“因此，追溯超大質量黑洞的增長歷史，可以為了解驅動星系與黑洞協同演化的機制提供線索。”

科學家們已知，超大質量黑洞的增長在大約紅移z ≈ 1.5–2時達到峰值，此后直至今天一直在下降。z ≈ 1.5–2對應大約95億至105億年前，當時宇宙的年齡僅為30億至40億年。在高紅移處存在更多高光度活動星系核。問題在于，為何會出現如此顯著的放緩？

這幅藝術想象圖展示了一個黑洞，周圍環繞著由物質構成的吸積環。環中物質受熱后會發射X射線。觀測這些X射線是測量超大質量黑洞和活動星系核的重要方法。圖中，該超大質量黑洞還在發射噴流。

Credit：NASA/JPL-Caltech

“長期以來，這種顯著放緩的原因一直是個謎，”第一作者于志博在一份新聞稿中表示。“但借助這些X射線數據以及其他波段的支持性觀測，我們可以檢驗不同的想法，并縮小答案的范圍。”當活動星系核吞噬物質時，物質首先會形成一個圍繞黑洞旋轉的環。環中的物質受熱并發射X射線，錢德拉能夠觀測到這些X射線。對不同紅移處不同活動星系核的X射線輻射進行比較，可以揭示它們吸積物質和增長的速度。活動星系核發射的X射線越多，其超大質量黑洞增長就越快。

在這項工作中，于志博及其合作者分析了約130萬個星系和8000個超大質量黑洞的觀測數據。這些觀測來自Chandra望遠鏡，以及其他空間望遠鏡——XMM-Newton天文臺和eROSITA全天空X射線巡天望遠鏡。

研究人員在研究中采用了所謂的“婚禮蛋糕設計（wedding-cake design）”。這意味著他們使用的數據來自不同來源。他們使用了從大天區的淺層巡天（稱為“鉛筆束研究（pencil-beam studies）”）一直到小天區的極深層研究的數據。這些分層巡天和研究就像婚禮蛋糕的不同層。

“通過結合這些來自不同X射線望遠鏡的數據，我們可以構建出比任何單一望遠鏡都更清晰的超大質量黑洞增長圖景，”密歇根大學的合著者范鄒（Fan Zou）說。“我們能夠找出為什么在超過100億年的時間里，超大質量黑洞的增長從‘繁忙’變為‘悠閑’，再變為‘緩慢’。”有三種可能的原因可以解釋超大質量黑洞增長的放緩。

第一，當前某種原因導致吸積速率本身較慢。第二，當前典型超大質量黑洞的質量較小。第三，當前活躍吸積的超大質量黑洞數量較少。

這幅示意圖展示了研究人員考慮的三種解釋。上圖：消耗速率較慢；中圖：典型黑洞質量較小；下圖：活躍增長的黑洞數量較少。

Credit：賓夕法尼亞州立大學/于志博

區分這三種原因的困難之一在于兩類不同的超大質量黑洞都可能產生更多的X射線輻射。質量更大的黑洞可以產生大量X射線，而質量較小、吸積速率卻較高的黑洞同樣可以。婚禮蛋糕分層設計通過納入不同類型的巡天數據幫助解決了這一問題。研究人員還結合了包括光學和紅外在內的其他波段的觀測，這些觀測幫助他們測量了黑洞質量和吸積速率。

于志博及其同事發現，第一種解釋最能符合觀測結果。超大質量黑洞吸積物質的速度確實比過去慢。它們主要以冷氣體為食，而冷氣體也是恒星形成所依賴的物質。因此，可能是恒星“偷走”了它們的一部分食物。

“看起來，隨著宇宙年齡的增長，黑洞對物質的消耗已經大大放緩，”賓夕法尼亞州立大學的合著者尼爾·勃蘭特（Niel Brandt）說。“這很可能是因為自宇宙正午以來，可供它們吞噬的冷氣體數量減少了。

———The End ———

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