超大质量黑洞成长放缓之谜

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翻译：刘奕征

校对：牧夫天文校对组

后期：王启儒

责任编辑：王启儒

随着强大的红外望远镜让天文学家得以窥探越来越遥远的过去，人们也发现了一些令人费解的现象。其中之一便是超大质量黑洞——这些挑战物理学的庞然大物位于像银河系这样的大型星系中心。而事实证明，在高红移时期，超大质量黑洞的增长速度远比当今宇宙中快得多。

在宇宙演化史中被称为“宇宙正午”的时期，超大质量黑洞经历了极为快速的增长。自那以后，其增长速度便放缓了。“宇宙正午”大约始于大爆炸后20亿年，结束于大爆炸后40亿年，同时也是恒星形成活动的巅峰时期。

天文学家研究了过去数十亿年中的一百万个星系和八千多个处于增长中的超大质量黑洞并试图回答一个难题：为何从大约100亿年前的“宇宙正午”时期开始，超大质量黑洞的增长开始急剧放缓。左图代表了过去快速增长的超大质量黑洞之一，右图则代表了一个距离我们约30亿光年的、增长较慢的超大质量黑洞。

Credit：X射线：NASA/CXC/宾夕法尼亚州立大学（Pennsylvania State University）/于志博（Zhibo Yu）

光学（哈勃空间望远镜（HST））：NASA/ESA/太空望远镜科学研究所（STScl）；

红外：NASA/ESA/CSA/太空望远镜科学研究所（STScl）；

图像处理：NASA/CXC/史密松天体物理台（SAO）/P. Edmonds, L. Frattare

在《天体物理学杂志》上发表的一项新研究中，天体物理学家发现，如今的超大质量黑洞根本无法像过去那样快速地吸积物质。这主要是由于缺乏冷气体——超大质量黑洞偏爱的“食物”。天体物理学家有时将这种现象称为“活动星系核的规模缩减”。

“理解超大质量黑洞的增长历Pennsylvania State University）史是银河系外研究最重要的课题之一，”作者写道。超大质量黑洞的质量与宿主星系核球的质量及其速度弥散度之间存在紧密的相关性。此外，超大质量黑洞的长期平均吸积率与宿主星系的总恒星质量及其核球中的恒星形成速率之间也存在关联。

“这些关系表明，超大质量黑洞与宿主星系是以一种协同的方式演化的，”研究人员解释道。“因此，追溯超大质量黑洞的增长历史，可以为了解驱动星系与黑洞协同演化的机制提供线索。”

科学家们已知，超大质量黑洞的增长在大约红移z ≈ 1.5–2时达到峰值，此后直至今天一直在下降。z ≈ 1.5–2对应大约95亿至105亿年前，当时宇宙的年龄仅为30亿至40亿年。在高红移处存在更多高光度活动星系核。问题在于，为何会出现如此显著的放缓？

这幅艺术想象图展示了一个黑洞，周围环绕着由物质构成的吸积环。环中物质受热后会发射X射线。观测这些X射线是测量超大质量黑洞和活动星系核的重要方法。图中，该超大质量黑洞还在发射喷流。

Credit：NASA/JPL-Caltech

“长期以来，这种显著放缓的原因一直是个谜，”第一作者于志博在一份新闻稿中表示。“但借助这些X射线数据以及其他波段的支持性观测，我们可以检验不同的想法，并缩小答案的范围。”当活动星系核吞噬物质时，物质首先会形成一个围绕黑洞旋转的环。环中的物质受热并发射X射线，钱德拉能够观测到这些X射线。对不同红移处不同活动星系核的X射线辐射进行比较，可以揭示它们吸积物质和增长的速度。活动星系核发射的X射线越多，其超大质量黑洞增长就越快。

在这项工作中，于志博及其合作者分析了约130万个星系和8000个超大质量黑洞的观测数据。这些观测来自Chandra望远镜，以及其他空间望远镜——XMM-Newton天文台和eROSITA全天空X射线巡天望远镜。

研究人员在研究中采用了所谓的“婚礼蛋糕设计（wedding-cake design）”。这意味着他们使用的数据来自不同来源。他们使用了从大天区的浅层巡天（称为“铅笔束研究（pencil-beam studies）”）一直到小天区的极深层研究的数据。这些分层巡天和研究就像婚礼蛋糕的不同层。

“通过结合这些来自不同X射线望远镜的数据，我们可以构建出比任何单一望远镜都更清晰的超大质量黑洞增长图景，”密歇根大学的合著者范邹（Fan Zou）说。“我们能够找出为什么在超过100亿年的时间里，超大质量黑洞的增长从‘繁忙’变为‘悠闲’，再变为‘缓慢’。”有三种可能的原因可以解释超大质量黑洞增长的放缓。

第一，当前某种原因导致吸积速率本身较慢。第二，当前典型超大质量黑洞的质量较小。第三，当前活跃吸积的超大质量黑洞数量较少。

这幅示意图展示了研究人员考虑的三种解释。上图：消耗速率较慢；中图：典型黑洞质量较小；下图：活跃增长的黑洞数量较少。

Credit：宾夕法尼亚州立大学/于志博

区分这三种原因的困难之一在于两类不同的超大质量黑洞都可能产生更多的X射线辐射。质量更大的黑洞可以产生大量X射线，而质量较小、吸积速率却较高的黑洞同样可以。婚礼蛋糕分层设计通过纳入不同类型的巡天数据帮助解决了这一问题。研究人员还结合了包括光学和红外在内的其他波段的观测，这些观测帮助他们测量了黑洞质量和吸积速率。

于志博及其同事发现，第一种解释最能符合观测结果。超大质量黑洞吸积物质的速度确实比过去慢。它们主要以冷气体为食，而冷气体也是恒星形成所依赖的物质。因此，可能是恒星“偷走”了它们的一部分食物。

“看起来，随着宇宙年龄的增长，黑洞对物质的消耗已经大大放缓，”宾夕法尼亚州立大学的合著者尼尔·勃兰特（Niel Brandt）说。“这很可能是因为自宇宙正午以来，可供它们吞噬的冷气体数量减少了。

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