百亿年来超大质量黑洞的增长为何减缓？

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作者：喻知博

校对：遠山 真理

审核：牧夫天文校对组

美编：张一帆

后台：王启儒

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

一个由宾夕法尼亚州立大学研究者领衔的国际团队，最近为一个天文学界长期存在的谜团给出了答案：为什么如今星系中央超大质量黑洞，其增长比过去慢了许多？

20世纪50年代末，天文学家利用地面可见光望远镜观察天空中明亮的射电源。他们惊讶地发现，有些射电源在可见光波段也异常明亮，而且尺寸之小使其看起来就如同一颗恒星（图1）。这类明亮而特殊的天体后来被称为“类星体”，它们距离我们的银河系极其遥远。随后，在70年代初，荷兰裔美籍天文学家马尔滕·施密特(Maarten Schmidt)通过系统性观察类星体，得出了一个令人困惑的发现：距离我们越遥远的类星体，其数量似乎越多。

图1.哈勃空间望远镜拍摄的类星体与恒星图像，二者在形态上几乎无法区分. 图源：参考文献[1]

随后的几十年里，天文学家逐渐意识到，这些明亮的类星体本质上是由银河系外星系中心活跃生长的超大质量黑洞驱动。许多生长中的超大质量黑洞亮度不及类星体，它们被统称为“活动星系核”。由于光传播到我们这里需要时间，当我们观测遥远的活动星系核时，实际上也在回溯过去：我们观测的距离越遥远，看到的宇宙历史也越早。因此，施密特早期的发现实际上反映了超大质量黑洞的增长历史。如今，天文学家早已追溯了黑洞们从宇宙诞生的前数亿年至今、跨越近130亿年的增长历史。现有研究证实，约100亿年前的“宇宙正午”是超大质量黑洞增长最为活跃的时期；此后，它们的增长持续放缓，如今的增长速率只有“宇宙正午”时期的约1/30。

黑洞增长大幅放缓的成因一直是个未解之谜。当黑洞吞噬气体以维持增长时，气体会受热并发射大量的电磁辐射。其中就包括X射线——这种辐射常被用于医学影像中，也会在极端的天体物理过程中产生。除此之外，活动星系核还会释放其他能量的辐射，包括可见光和红外线。大多数情况下，X射线辐射是黑洞正在增长的明确标志，其亮度可以反映黑洞的增长速率。利用这一特性，数十年来天文学家借助X射线望远镜观测宇宙中不同距离的黑洞，发现黑洞增长确实在放缓。

图2.两张图片中心的星系各拥有一个生长中的超大质量黑洞。图中紫色代表X射线数据，彩色图片则根据哈勃空间望远镜光学巡天相机(HST/WFC)与韦布空间望远镜近红外相机(JWST/NIRCam)的图像合成。图源: 参考文献[2]与本文作者

最近，一个由宾夕法尼亚州立大学的研究者领衔的研究团队在《天体物理学报》发表论文，揭示了黑洞增长减缓的原因。研究者通过分析美国宇航局钱德拉X射线天文台（Chandra X-ray Observatory）、欧空局XMM-牛顿望远镜，以及德国与俄罗斯合作的eROSITA这三台空间X射线望远镜的观测数据，并结合紫外、可见光、红外波段的辅助观测——涵盖约130万个星系和8000个正在增长的超大质量黑洞——厘清了黑洞增长放缓背后的原因。他们对当前黑洞增长放缓的三种主要假说进行了检验：

1.活跃增长的黑洞吸积气体相对速率降低

2.活跃增长的黑洞典型质量减小

3.活跃增长的黑洞数量减少

他们的具体方法如下：通过黑洞发射的X射线亮度，可以推断其气体吸积速率；测量黑洞宿主星系的恒星质量，再通过两者的标度关系估算出黑洞的质量；最后，在X射线波段探测到的星系（即存在生长中的超大质量黑洞）占总星系的比例，则反映了活跃增长的黑洞数量。

研究人员将覆盖大天区的浅层巡天与针对极小天区的极深层观测相结合。这套“宽而浅、深而窄”的巡天组合被形象地称为“婚礼蛋糕”结构。在这个“蛋糕”中，XMM-牛顿和eROSITA构成了中层与底层，覆盖范围更广但深度较浅；钱德拉则贡献了顶层，在较小的天区内进行了深度观测，从而能够探测到更暗弱、更遥远的黑洞。

团队发现，随着宇宙年龄的增长，活跃生长的黑洞吸积气体的相对速率已大幅放缓——这很可能是因为自100亿年前的“宇宙正午”以来，可供它们增长的冷气体减少了——而生长中黑洞的典型质量以及数量却没有显著下降。宇宙中的冷气体始终处于供应与消耗的循环之中。星系中的恒星形成会消耗冷气体，超新星爆发与黑洞喷流等过程则会加热气体或将气体推出星系；与此同时，热气体也会逐渐冷却，星系周介质中的气体也会被吸积回星系，从而补充冷气体。如此循环往复，但总体上冷气体的净供给量仍在不断减少。研究人员预计，黑洞增长放缓的趋势将一直持续下去。

图3.三张示意图展示了研究团队所测试的三种可能情景，包含星系中正在增长的黑洞和休眠黑洞。上图：如今增长的黑洞与过去质量相近，但整体更暗，表明其吸积气体的速率整体下降。中图：增长中的黑洞随宇宙演化保持相似的吸积速率，但如今的黑洞增长主要发生在小质量的黑洞中。下图：如今增长的黑洞与过去保持相似的质量与吸积气体速率，但能维持同等增长水平的黑洞数量减少了。新研究提供了迄今最明确的证据，表明第一种情景——吸积速率下降——是导致观测到的黑洞增长放缓的主要原因。图源：本文作者

这项研究的一个关键难点在于：更大质量的黑洞和消耗气体更快的黑洞都会产生更明亮的X射线辐射。不过，研究人员利用光学、红外等其他波段的观测数据不仅可以估算黑洞质量，还能将这两个因素区分开来。

作者简介：喻知博，目前为宾夕法尼亚州立大学天文与天体物理系博士生。主要研究方向为超大质量黑洞与宿主星系的共同演化。2022年获复旦大学物理学学士学位。

参考文献：

[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)

责任编辑：甘林

牧夫新媒体编辑部

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新生恒星Ve 7–27

图源：ESO

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