百億年來超大質(zhì)量黑洞的增長為何減緩？

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作者：喻知博

校對：遠(yuǎn)山 真理

審核：牧夫天文校對組

美編：張一帆

后臺：王啟儒

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ae173d

一個由賓夕法尼亞州立大學(xué)研究者領(lǐng)銜的國際團(tuán)隊，最近為一個天文學(xué)界長期存在的謎團(tuán)給出了答案：為什么如今星系中央超大質(zhì)量黑洞，其增長比過去慢了許多？

20世紀(jì)50年代末，天文學(xué)家利用地面可見光望遠(yuǎn)鏡觀察天空中明亮的射電源。他們驚訝地發(fā)現(xiàn)，有些射電源在可見光波段也異常明亮，而且尺寸之小使其看起來就如同一顆恒星（圖1）。這類明亮而特殊的天體后來被稱為“類星體”，它們距離我們的銀河系極其遙遠(yuǎn)。隨后，在70年代初，荷蘭裔美籍天文學(xué)家馬爾滕·施密特(Maarten Schmidt)通過系統(tǒng)性觀察類星體，得出了一個令人困惑的發(fā)現(xiàn)：距離我們越遙遠(yuǎn)的類星體，其數(shù)量似乎越多。

圖1.哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的類星體與恒星圖像，二者在形態(tài)上幾乎無法區(qū)分. 圖源：參考文獻(xiàn)[1]

隨后的幾十年里，天文學(xué)家逐漸意識到，這些明亮的類星體本質(zhì)上是由銀河系外星系中心活躍生長的超大質(zhì)量黑洞驅(qū)動。許多生長中的超大質(zhì)量黑洞亮度不及類星體，它們被統(tǒng)稱為“活動星系核”。由于光傳播到我們這里需要時間，當(dāng)我們觀測遙遠(yuǎn)的活動星系核時，實(shí)際上也在回溯過去：我們觀測的距離越遙遠(yuǎn)，看到的宇宙歷史也越早。因此，施密特早期的發(fā)現(xiàn)實(shí)際上反映了超大質(zhì)量黑洞的增長歷史。如今，天文學(xué)家早已追溯了黑洞們從宇宙誕生的前數(shù)億年至今、跨越近130億年的增長歷史。現(xiàn)有研究證實(shí)，約100億年前的“宇宙正午”是超大質(zhì)量黑洞增長最為活躍的時期；此后，它們的增長持續(xù)放緩，如今的增長速率只有“宇宙正午”時期的約1/30。

黑洞增長大幅放緩的成因一直是個未解之謎。當(dāng)黑洞吞噬氣體以維持增長時，氣體會受熱并發(fā)射大量的電磁輻射。其中就包括X射線——這種輻射常被用于醫(yī)學(xué)影像中，也會在極端的天體物理過程中產(chǎn)生。除此之外，活動星系核還會釋放其他能量的輻射，包括可見光和紅外線。大多數(shù)情況下，X射線輻射是黑洞正在增長的明確標(biāo)志，其亮度可以反映黑洞的增長速率。利用這一特性，數(shù)十年來天文學(xué)家借助X射線望遠(yuǎn)鏡觀測宇宙中不同距離的黑洞，發(fā)現(xiàn)黑洞增長確實(shí)在放緩。

圖2.兩張圖片中心的星系各擁有一個生長中的超大質(zhì)量黑洞。圖中紫色代表X射線數(shù)據(jù)，彩色圖片則根據(jù)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡光學(xué)巡天相機(jī)(HST/WFC)與韋布空間望遠(yuǎn)鏡近紅外相機(jī)(JWST/NIRCam)的圖像合成。圖源: 參考文獻(xiàn)[2]與本文作者

最近，一個由賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究者領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊在《天體物理學(xué)報》發(fā)表論文，揭示了黑洞增長減緩的原因。研究者通過分析美國宇航局錢德拉X射線天文臺（Chandra X-ray Observatory）、歐空局XMM-牛頓望遠(yuǎn)鏡，以及德國與俄羅斯合作的eROSITA這三臺空間X射線望遠(yuǎn)鏡的觀測數(shù)據(jù)，并結(jié)合紫外、可見光、紅外波段的輔助觀測——涵蓋約130萬個星系和8000個正在增長的超大質(zhì)量黑洞——厘清了黑洞增長放緩背后的原因。他們對當(dāng)前黑洞增長放緩的三種主要假說進(jìn)行了檢驗：

1.活躍增長的黑洞吸積氣體相對速率降低

2.活躍增長的黑洞典型質(zhì)量減小

3.活躍增長的黑洞數(shù)量減少

他們的具體方法如下：通過黑洞發(fā)射的X射線亮度，可以推斷其氣體吸積速率；測量黑洞宿主星系的恒星質(zhì)量，再通過兩者的標(biāo)度關(guān)系估算出黑洞的質(zhì)量；最后，在X射線波段探測到的星系（即存在生長中的超大質(zhì)量黑洞）占總星系的比例，則反映了活躍增長的黑洞數(shù)量。

研究人員將覆蓋大天區(qū)的淺層巡天與針對極小天區(qū)的極深層觀測相結(jié)合。這套“寬而淺、深而窄”的巡天組合被形象地稱為“婚禮蛋糕”結(jié)構(gòu)。在這個“蛋糕”中，XMM-牛頓和eROSITA構(gòu)成了中層與底層，覆蓋范圍更廣但深度較淺；錢德拉則貢獻(xiàn)了頂層，在較小的天區(qū)內(nèi)進(jìn)行了深度觀測，從而能夠探測到更暗弱、更遙遠(yuǎn)的黑洞。

團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，隨著宇宙年齡的增長，活躍生長的黑洞吸積氣體的相對速率已大幅放緩——這很可能是因為自100億年前的“宇宙正午”以來，可供它們增長的冷氣體減少了——而生長中黑洞的典型質(zhì)量以及數(shù)量卻沒有顯著下降。宇宙中的冷氣體始終處于供應(yīng)與消耗的循環(huán)之中。星系中的恒星形成會消耗冷氣體，超新星爆發(fā)與黑洞噴流等過程則會加熱氣體或?qū)怏w推出星系；與此同時，熱氣體也會逐漸冷卻，星系周介質(zhì)中的氣體也會被吸積回星系，從而補(bǔ)充冷氣體。如此循環(huán)往復(fù)，但總體上冷氣體的凈供給量仍在不斷減少。研究人員預(yù)計，黑洞增長放緩的趨勢將一直持續(xù)下去。

圖3.三張示意圖展示了研究團(tuán)隊所測試的三種可能情景，包含星系中正在增長的黑洞和休眠黑洞。上圖：如今增長的黑洞與過去質(zhì)量相近，但整體更暗，表明其吸積氣體的速率整體下降。中圖：增長中的黑洞隨宇宙演化保持相似的吸積速率，但如今的黑洞增長主要發(fā)生在小質(zhì)量的黑洞中。下圖：如今增長的黑洞與過去保持相似的質(zhì)量與吸積氣體速率，但能維持同等增長水平的黑洞數(shù)量減少了。新研究提供了迄今最明確的證據(jù)，表明第一種情景——吸積速率下降——是導(dǎo)致觀測到的黑洞增長放緩的主要原因。圖源：本文作者

這項研究的一個關(guān)鍵難點(diǎn)在于：更大質(zhì)量的黑洞和消耗氣體更快的黑洞都會產(chǎn)生更明亮的X射線輻射。不過，研究人員利用光學(xué)、紅外等其他波段的觀測數(shù)據(jù)不僅可以估算黑洞質(zhì)量，還能將這兩個因素區(qū)分開來。

作者簡介：喻知博，目前為賓夕法尼亞州立大學(xué)天文與天體物理系博士生。主要研究方向為超大質(zhì)量黑洞與宿主星系的共同演化。2022年獲復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)學(xué)士學(xué)位。

參考文獻(xiàn)：

[1] "Hubble’s 100,000th Exposure Captures Image of Distant Quasar."

https://science.nasa.gov/asset/hubble/hubbles-100000th-exposure-captures-image-of-distant-quasar/

[2] "Chandra Resolves Why Black Holes Hit the Brakes on Growth.” https://chandra.si.edu/press/26_releases/press_032426.html

[3] Yu, Z.; Brandt, W. N.; Zou, F.; Luo, B.; Ni, Q.; Schneider, D. P.; Vito, F. “The Drivers of the Decline in Supermassive Black Hole Growth at z < 2”. ApJ, 995(2), 205 (2025)

責(zé)任編輯：甘林

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新生恒星Ve 7–27

圖源：ESO

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