超大質(zhì)量黑洞成長放緩之謎

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翻譯：劉奕征

校對：牧夫天文校對組

后期：王啟儒

責(zé)任編輯：王啟儒

隨著強(qiáng)大的紅外望遠(yuǎn)鏡讓天文學(xué)家得以窺探越來越遙遠(yuǎn)的過去，人們也發(fā)現(xiàn)了一些令人費解的現(xiàn)象。其中之一便是超大質(zhì)量黑洞——這些挑戰(zhàn)物理學(xué)的龐然大物位于像銀河系這樣的大型星系中心。而事實證明，在高紅移時期，超大質(zhì)量黑洞的增長速度遠(yuǎn)比當(dāng)今宇宙中快得多。

在宇宙演化史中被稱為“宇宙正午”的時期，超大質(zhì)量黑洞經(jīng)歷了極為快速的增長。自那以后，其增長速度便放緩了。“宇宙正午”大約始于大爆炸后20億年，結(jié)束于大爆炸后40億年，同時也是恒星形成活動的巔峰時期。

天文學(xué)家研究了過去數(shù)十億年中的一百萬個星系和八千多個處于增長中的超大質(zhì)量黑洞并試圖回答一個難題：為何從大約100億年前的“宇宙正午”時期開始，超大質(zhì)量黑洞的增長開始急劇放緩。左圖代表了過去快速增長的超大質(zhì)量黑洞之一，右圖則代表了一個距離我們約30億光年的、增長較慢的超大質(zhì)量黑洞。

Credit：X射線：NASA/CXC/賓夕法尼亞州立大學(xué)（Pennsylvania State University）/于志博（Zhibo Yu）

光學(xué)（哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（HST））：NASA/ESA/太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所（STScl）；

紅外：NASA/ESA/CSA/太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所（STScl）；

圖像處理：NASA/CXC/史密松天體物理臺（SAO）/P. Edmonds, L. Frattare

在《天體物理學(xué)雜志》上發(fā)表的一項新研究中，天體物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，如今的超大質(zhì)量黑洞根本無法像過去那樣快速地吸積物質(zhì)。這主要是由于缺乏冷氣體——超大質(zhì)量黑洞偏愛的“食物”。天體物理學(xué)家有時將這種現(xiàn)象稱為“活動星系核的規(guī)模縮減”。

“理解超大質(zhì)量黑洞的增長歷Pennsylvania State University）史是銀河系外研究最重要的課題之一，”作者寫道。超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量與宿主星系核球的質(zhì)量及其速度彌散度之間存在緊密的相關(guān)性。此外，超大質(zhì)量黑洞的長期平均吸積率與宿主星系的總恒星質(zhì)量及其核球中的恒星形成速率之間也存在關(guān)聯(lián)。

“這些關(guān)系表明，超大質(zhì)量黑洞與宿主星系是以一種協(xié)同的方式演化的，”研究人員解釋道。“因此，追溯超大質(zhì)量黑洞的增長歷史，可以為了解驅(qū)動星系與黑洞協(xié)同演化的機(jī)制提供線索。”

科學(xué)家們已知，超大質(zhì)量黑洞的增長在大約紅移z ≈ 1.5–2時達(dá)到峰值，此后直至今天一直在下降。z ≈ 1.5–2對應(yīng)大約95億至105億年前，當(dāng)時宇宙的年齡僅為30億至40億年。在高紅移處存在更多高光度活動星系核。問題在于，為何會出現(xiàn)如此顯著的放緩？

這幅藝術(shù)想象圖展示了一個黑洞，周圍環(huán)繞著由物質(zhì)構(gòu)成的吸積環(huán)。環(huán)中物質(zhì)受熱后會發(fā)射X射線。觀測這些X射線是測量超大質(zhì)量黑洞和活動星系核的重要方法。圖中，該超大質(zhì)量黑洞還在發(fā)射噴流。

Credit：NASA/JPL-Caltech

“長期以來，這種顯著放緩的原因一直是個謎，”第一作者于志博在一份新聞稿中表示。“但借助這些X射線數(shù)據(jù)以及其他波段的支持性觀測，我們可以檢驗不同的想法，并縮小答案的范圍。”當(dāng)活動星系核吞噬物質(zhì)時，物質(zhì)首先會形成一個圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)的環(huán)。環(huán)中的物質(zhì)受熱并發(fā)射X射線，錢德拉能夠觀測到這些X射線。對不同紅移處不同活動星系核的X射線輻射進(jìn)行比較，可以揭示它們吸積物質(zhì)和增長的速度。活動星系核發(fā)射的X射線越多，其超大質(zhì)量黑洞增長就越快。

在這項工作中，于志博及其合作者分析了約130萬個星系和8000個超大質(zhì)量黑洞的觀測數(shù)據(jù)。這些觀測來自Chandra望遠(yuǎn)鏡，以及其他空間望遠(yuǎn)鏡——XMM-Newton天文臺和eROSITA全天空X射線巡天望遠(yuǎn)鏡。

研究人員在研究中采用了所謂的“婚禮蛋糕設(shè)計（wedding-cake design）”。這意味著他們使用的數(shù)據(jù)來自不同來源。他們使用了從大天區(qū)的淺層巡天（稱為“鉛筆束研究（pencil-beam studies）”）一直到小天區(qū)的極深層研究的數(shù)據(jù)。這些分層巡天和研究就像婚禮蛋糕的不同層。

“通過結(jié)合這些來自不同X射線望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，我們可以構(gòu)建出比任何單一望遠(yuǎn)鏡都更清晰的超大質(zhì)量黑洞增長圖景，”密歇根大學(xué)的合著者范鄒（Fan Zou）說。“我們能夠找出為什么在超過100億年的時間里，超大質(zhì)量黑洞的增長從‘繁忙’變?yōu)椤崎e’，再變?yōu)椤徛！庇腥N可能的原因可以解釋超大質(zhì)量黑洞增長的放緩。

第一，當(dāng)前某種原因?qū)е挛e速率本身較慢。第二，當(dāng)前典型超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量較小。第三，當(dāng)前活躍吸積的超大質(zhì)量黑洞數(shù)量較少。

這幅示意圖展示了研究人員考慮的三種解釋。上圖：消耗速率較慢；中圖：典型黑洞質(zhì)量較小；下圖：活躍增長的黑洞數(shù)量較少。

Credit：賓夕法尼亞州立大學(xué)/于志博

區(qū)分這三種原因的困難之一在于兩類不同的超大質(zhì)量黑洞都可能產(chǎn)生更多的X射線輻射。質(zhì)量更大的黑洞可以產(chǎn)生大量X射線，而質(zhì)量較小、吸積速率卻較高的黑洞同樣可以。婚禮蛋糕分層設(shè)計通過納入不同類型的巡天數(shù)據(jù)幫助解決了這一問題。研究人員還結(jié)合了包括光學(xué)和紅外在內(nèi)的其他波段的觀測，這些觀測幫助他們測量了黑洞質(zhì)量和吸積速率。

于志博及其同事發(fā)現(xiàn)，第一種解釋最能符合觀測結(jié)果。超大質(zhì)量黑洞吸積物質(zhì)的速度確實比過去慢。它們主要以冷氣體為食，而冷氣體也是恒星形成所依賴的物質(zhì)。因此，可能是恒星“偷走”了它們的一部分食物。

“看起來，隨著宇宙年齡的增長，黑洞對物質(zhì)的消耗已經(jīng)大大放緩，”賓夕法尼亞州立大學(xué)的合著者尼爾·勃蘭特（Niel Brandt）說。“這很可能是因為自宇宙正午以來，可供它們吞噬的冷氣體數(shù)量減少了。

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