早期宇宙的超大质量黑洞大集结：宇宙物质分布迎来新谜题

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主译：遠山真理

校对：星野旅人Yeoman

审核：牧夫天文校对组

美编：余家劲

后台：李子琦

原文链接：https://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/news/16553/

研究成果概要

近日，由日本国立天文台、东京大学、清华大学等机构研究人员组成的国际联合研究团队，在鲸鱼座方向上距今108亿年前的宇宙深处发现了11个聚团的活跃超大质量黑洞。这是人类首次在早期宇宙观测到如此密集活跃的超大质量黑洞集群。通过结合昴星团望远镜的广域巡天数据（HSC-SSP）与斯隆数字化巡天（SDSS）数据，研究发现这些黑洞可能正处于宇宙大尺度结构的生长边界上。这一发现对理解早期宇宙中星系团等结构形成过程中超大质量黑洞在何处、以何种方式成长起来的传统认知提出了全新挑战。

图1：本研究发现的活跃超大质量黑洞（即“类星体”）集群。

这些类星体位于鲸鱼座方向，背景展示了昴星团望远镜超广域主焦点相机（HSC）拍摄的图像。红色阴影表示类星体密度分布，蓝色阴影显示周边发现的几百个星系密度分布。白色方框标记了类星体的位置，而放大框则展示各目标特写。（图片来源：日本国立天文台/SDSS；Liang et al.）

超大质量黑洞的超级集群

当超大质量黑洞通过剧烈吞噬周围气体和其它物质释放巨大能量时，它们就会如同宇宙灯塔般闪耀，而这类活跃的黑洞通常被称为"类星体"。尽管类星体活动在早期宇宙中更为旺盛，他们的分布实际上依然十分稀疏，彼此间隔一般都在数亿光年以上。但由日本国立天文台的梁永明博士领导的国际团队，发现了在一个仅4000万光年范围内的区域内，聚集了11个类星体的极端紧凑结构。梁博士指出，"类星体如此高密度聚集的现象前所未见，如果这次发现只是个巧合的话，作为一个17σ的异常密度值其概率将低于10的64次方分之一。简单说就是基本排除了偶然因素，意味着它们的集中触发应该有潜在的物理成因。"（图2）

图2：本研究所发现的类星体集群（橙色柱状表示）与其他类似大小的区域（黑点）的类星体数量对比。对比数据来自覆盖全天区四分之一的史上最大巡天项目——斯隆数字化巡天（SDSS）。蓝色虚线及周边色带表示SDSS观测范围内类星体数量的平均值及其1σ标准方差范围。黑点的横坐标没有具体意义，随机位置仅为了可视化展示。该结构是目前宇宙中已知类星体分布最密集的记录保持者。（图片来源：SDSS; Liang et al.）

昴星团望远镜揭示的星系分布之谜

尽管这一特殊的类星体集群最初是通过SDSS数据被发现的，研究团队为深入了解其特点，又利用了昴星团望远镜超广域主焦点相机（Hyper Suprime-Cam, HSC）展开追踪观测。HSC兼具1.5亿光年范围的超广视场与8.2米级望远镜独有的高灵敏度，成功检测到了类星体集群周围存在的数百个年轻星系（图1）。

传统理论认为，超大质量黑洞通常会活跃于星系密集的区域。就像拥挤人群中穿梭的行人之间会摩肩接踵一样，在这类密集环境中，星系也会更频繁地发生相互作用，包括相互吸引、碰撞乃至并合。在这些过程中星系中的气体与物质会逐渐损失角动量而旋进星系中心，从而促进星系中央的黑洞成长并蜕变为明亮的类星体。

然而这一次昴星团望远镜的观测却呈现了意外的结果：这些类星体并没有处于主要的星系团内部，而是处于距离她们约2500万光年的外围区域。这一发现迫使天文学家重新思考超大质量黑洞"在何处"以及"如何"成长的基本问题。

梁博士强调，"如果没有昴星团望远镜的超高观测能力，我们可能就没法注意到这个类星体集群与周围星系分布存在偏移的有趣现象了。"

气体分布加深谜团

为进一步探究这一特殊结构，研究团队尝试重建了星系间气体的三维分布图（注1）。有趣的是，结果显示这些类星体既不处于中性气体最稠密区，也并不位于气体最稀疏区，而是恰好位于中性气体与电离气体的交界带（图3）。

该结构可能对应着宇宙大尺度结构的过渡区域——例如有可能是两个正在形成的星系团之间，沿宇宙纤维状结构相互牵引的边界。也许此次发现的类星体超级集群并不是一个成熟的结构，反而是展现了黑洞、星系与星系际气体共同演化的过渡阶段。其空间排布也许预示了一个正在进行的动态环境，它同时受到了大尺度结构形成影响与类星体活动反馈的双重塑造。

受启发于地球上的喜马拉雅山脉隆起在界限分明的青藏高原与印度大平原之间，而这次发现的极端密集的类星体集群又恰好位于宇宙结构的边界，研究团队于是将这个独特的大尺度结构命名为"宇宙喜马拉雅山脉" (Cosmic Himalayas)。

图3："宇宙喜马拉雅"——塑造宇宙图景的高能类星体超级集群。黄色"×"标记类星体位置，黑色等高线显示星系密度分布。背景色阶表示中性氢气体密度（红色越深密度越高，蓝色越深密度越低，也即代表电离气体反而越丰富）。可见左侧星系团富含中性气体，而右侧星系团周围以电离气体为主。灰色部分为因恒星数目过少图像拼接质量不佳或受亮星光污染而在分析中被移除区域。底部配图为命名灵感来源——喜马拉雅山脉的卫星影像。（图片来源：日本国立天文台/SDSS Liang et al.；底图© Google, Image Landsat/Copernicus）

梁博士对此解释道："我们发现类星体沿着宇宙状态变化的'边缘'聚集，这既可能表明类星体的强大辐射光正在活跃地改变其周围气体的电离状态，同时也让我们拥有了可以追踪一个可能正在孕育的巨型结构的机会，比如见证星系团的正在形成的雏形。因其宛如山脉一般矗立于不同宇宙结构的交界处，故以'宇宙喜马拉雅山脉'对其进行了命名。"

该研究团队的一员，国立天文台/东京大学的大内正己教授表示："如此活跃的超大质量黑洞集群的存在已属惊人，其星系与气体分布更颠覆常规宇宙认知。这或许是全宇宙中的一个特殊区位，亦或是黑洞集体活跃的瞬时奇观。无论哪种情况，其科学意义都将在后续研究中逐步被揭示。"

研究总结

◆在鲸鱼座方向约108亿年前的宇宙中，研究团队发现了11个超大质量黑洞同时闪耀的罕见结构
◆这是世界首次发现如此高密度的超大质量黑洞集群
◆这一发现将重塑关于早期宇宙中星系团与黑洞形成的现有理论

未来展望

本研究通过大规模巡天观测与昴星团望远镜高灵敏度数据的结合，为破解宇宙重大谜题提供了新范式。未来借助昴星团望远镜超广域多天体光谱仪（Prime Focus Spectrograph, PFS）等设备的观测，有望进一步揭示此次发现所展现的宇宙奥秘。

注释与术语说明

（注1）星系际气体的三维分布测绘：研究团队利用SDSS数据，通过测量更遥远类星体光线被目标区域星系际气体吸收的特征，实现了气体三维分布的可视化。这种宇宙尺度的"断层成像法"，就像是用手电筒照射雾气般呈现出了气体的空间分布形态。

论文原作者信息：

梁永明博士，2017年本科毕业于中国科学技术大学天文学系，2022年于日本国立天文台（NAOJ）/综合研究大学院大学（SOKENDAI）获得天文学博士学位，之后分别在东京大学的宇宙线研究所（ICRR, University of Tokyo）和日本国立天文台夏威夷观测所（Subaru Telescope, NAOJ）任特任研究员，是日本Subaru望远镜主导的超主焦点相机策略巡天HSC-SSP和主焦点光谱仪PFS合作组成员，共同领导了MAMMOTH-Subaru等国际合作研究。主要研究方向为通过包括光学、红外望远镜在内的观测数据，研究高红移星系的形成与演化、以及这些过程对宇宙学大尺度结构和其中的星系际介质的依赖与反馈。

责任编辑：甘林

牧夫新媒体编辑部

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哈勃太空望远镜拍摄的类星体3C 273核心区域图像。

图源：NASA, ESA, Bin Ren (Université Côte d’Azur/CNRS); Acknowledgment: John Bahcall (IAS); Image Processing: Joseph DePasquale (STScI)

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