X射线和计算机模拟揭示了黑洞120亿年的历史

针对宇宙演化的模拟解决了超大黑洞之谜？

图片的左侧是一张正在吸积的超大质量黑洞的X射线照片（放大的照片是艺术图），图片的右侧是IllustrisTNG对宇宙星系的演化的模拟图。（图源：F. Zou/Penn State, et al.; Observations: The XMM-SERVS Collaboration; Simulations: The TNG Collaboration; Illustration: Nahks TrEhnl/Penn State/Penn State）

每个星系的黑色心脏中都会有一个超大质量黑洞，今天，它们终于将自己几乎完整的历史说了出来。天文学家结合了X射线观测结果和超级计算机的模拟结果，整理出来了超大质量黑洞的一部编年史。

在编写这段编年史的过程中，科学家们发现了银河系中心黑洞在其历史中相对晚的时候才获得了它的400万太阳质量。

超大质量黑洞的质量在几百万倍太阳质量到几十亿倍太阳质量浮动，但是我们并不清除为什么这么大。

但是现在，宾夕法尼亚州立大学的天文学家邹范（音译）和W·尼尔·勃兰特所领导的团队通过观测数据和模拟连接了两种黑洞长大的理论，这至少会提供一些线索。

“关于黑洞演化的模型，一个很大的问题就是超大质量黑洞是怎么获得这些超大质量的？”邹在威斯康星州举办的第244次美国天文学会的会议中说道。“为了解决这个问题，我们需要跟踪超大质量黑洞在历史中的演化。”之前提到过，黑洞吸收质量主要有两种方式，第一种是通过吸积冷的气体。气体会在黑洞周围形成吸积盘，然后慢慢的螺旋式落入黑洞。由于气体分子之间的摩擦，吸积盘可以加热到几百万度，同时辐射出大量的X射线。另外一个机制是星系的碰撞和融合，当两个星系融合时，其核心的超大质量黑洞也会融合。这个过程比较缓慢，但是当两个黑洞融合时，会剧烈的扭曲周围的时空，产生引力波。

为了检测吸积气体是如何为超大质量黑洞增加质量作出贡献的，研究团队研究了NASA的钱德拉塞卡X射线望远镜，欧空局XMM-牛顿卫星和德国-俄罗斯联合发射的Spektr-RG 上搭载的eROSITA X射线探测器的20多年的数据。他们从中找到了8000多个从快速增长的黑洞中发射出的X射线信号。“当超大质量黑洞吸积气体时，黑洞会辐射出大量的X射线，因此通过检测X射线强度，可以推断出黑洞吸积的强度。”邹解释道。

研究团队然后把目光转向了IllustrisTNG宇宙学超级计算机，利用它去模拟星系在宇宙膨胀过程中星系的碰撞情况。从这里，研究团队结合了X射线信号和模拟，去了解过去120亿年中超大质量黑洞是如何通过吸积而获得质量的。

这些模拟“可以模拟宇宙大尺度结构演化，也可以对单个星系作出探测。”邹说道。

邹和勃兰特发现，根据X射线信号的分析，在宇宙所有的时段内，超大质量黑洞成长的主导因素都是吸积。另外，黑洞的宿主星系质量越大，其内部的超大质量黑洞的吸积速率就越大。然而，黑洞之间的合并与超大质量黑洞成长仅有着有限而不主导的关系。

“吸积主导了大多数超大质量黑洞的成长，而合并提供了些显著的次要成长。”邹说。

研究结果表明，超大质量黑洞在宇宙早期的成长速度十分的快，这些黑洞一个又一个的冒出来。但是在大约70亿年前，超大质量黑洞的形成速度就降下来了很多，其数目大约就成为了一个常数。大约40亿年前，合并就起到了一个比吸积更重要的促使超大质量黑洞成长的因素。

“我们发现，当宇宙年龄达到现在40%时候，宇宙中超大质量黑洞的数密度就和人类现在在临近宇宙中的数密度相似了。”邹说到。

天文学家们针对银河系中心黑洞（人马座A*）也做出了模拟，发现人马座A*的大部分质量是在宇宙时间相对晚的时候才获得的，银河系与其他星系碰撞发生在大约80亿到100亿年前发生，因此其质量获得的方式是靠吸积。但是欧空局（ESA）的Gaia卫星最近找到了银河系在20到30亿年前与一个矮星系碰撞的证据。矮星系被认为是带有中等质量黑洞的星系，其质量从几万到几十万太阳质量之间浮动，人马座A*有可能在历史中与一个这样的黑洞碰撞过，增加了人马座A*的质量。

因为这个模拟是从大爆炸后18亿年后开始的，它并不能给出超大质量黑洞的“种子”是如何形成的。这仍是目前天文学家面临的一个难题，特别是哈勃望远镜和詹姆斯韦伯望远镜已经发现了宇宙早期的超大质量黑洞。它们是如何在不到10亿年间就获得了几百万倍太阳质量仍然是个未解之谜。关于该研究的第一篇论文发表在天文物理期刊上，第二篇论文正在审核中。

BY: Keith Cooper

FY: Chen Li.

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