联合 X 射线勘测和超级计算机模拟追踪了 120 亿年的宇宙黑洞成长

Josiah

　　通过将前沿的 X 射线观测与最先进的超级计算机模拟宇宙历史中星系的形成过程相结合，研究人员提供了迄今为止在星系中心发现的超大质量黑洞成长的最佳模型。利用这种混合方法，由宾夕法尼亚州立大学天文学家领导的研究小组得出了 120 亿年来黑洞成长的完整图景，从宇宙诞生之初的 18 亿年前到现在的 138 亿年前。
　　这项研究包括两篇论文，一篇发表在《天体物理学杂志》上，另一篇尚未发表，将提交给同一杂志。研究结果将于6 月 9 日至 6 月 13 日在威斯康星州麦迪逊的莫诺纳露台会议中心举行的第 244 届美国天文学会会议上公布。
　　“星系中心的超大质量黑洞的质量是太阳的数百万至数十亿倍，”宾夕法尼亚州立大学研究生、论文第一作者范邹说。“它们是如何变成如此庞大的？这是天文学家几十年来一直在研究的问题，但很难追踪黑洞可以可靠成长的所有方式。”
　　超大质量黑洞主要通过两种方式成长。它们会消耗宿主星系的冷气体（这一过程称为吸积），当星系发生碰撞时，它们会与其他超大质量黑洞合并。
　　“在吞噬其宿主星系的气体的过程中，黑洞会辐射出强烈的 X 射线，这是追踪其吸积增长的关键，”宾夕法尼亚州立大学天文学和天体物理学埃伯利家族讲座教授、物理学教授、研究团队负责人 W. Niel Brandt 说道。“我们利用 20 多年来从有史以来发射到太空的最强大的三个 X 射线设施积累的 X 射线巡天数据测量了吸积驱动的增长。”
　　研究小组使用了美国宇航局钱德拉X射线天文台、欧洲航天局X射线多镜任务-牛顿（XMM-Newton）和马克斯普朗克地外物理研究所的eROSITA望远镜的补充数据。总的来说，他们测量了130万个星系样本中由吸积驱动的增长，这些星系包含8000多个快速增长的黑洞。
　　“我们样本中的所有星系和黑洞在多个波长下都具有很好的特征，在红外、可见光、紫外和 X 射线波段的测量结果都非常好，”Zou 说道。“这让我们得出了可靠的结论，数据显示，在所有宇宙时代，质量更大的星系通过吸积形成黑洞的速度更快。凭借高质量的数据，我们能够比过去的研究更好地量化这一重要现象。”
　　超大质量黑洞成长的第二种方式是通过合并，即两个超大质量黑洞相撞并合并在一起，形成一个更大的黑洞。为了追踪合并带来的增长，研究小组使用了 IllustrisTNG，这是一组超级计算机模拟，可以模拟从大爆炸后不久到现在的星系形成、演化和合并。
　　“在我们的混合方法中，我们将观测到的吸积增长与模拟的合并增长相结合，以重现超大质量黑洞的成长历史，”布兰特说。“通过这种新方法，我们相信我们已经绘制出了迄今为止最真实的超大质量黑洞成长图景。”
　　研究人员发现，在大多数情况下，吸积主导着黑洞的增长。合并产生了显著的次要贡献，尤其是在过去 50 亿年的宇宙时间中，对于质量最大的黑洞而言。总体而言，当宇宙更年轻时，所有质量的超大质量黑洞的增长速度要快得多。正因为如此，超大质量黑洞的总数在 70 亿年前几乎已经稳定下来，而更早的宇宙中则不断出现许多新的黑洞。
　　“通过我们的方法，我们可以追踪局部宇宙中心黑洞在宇宙时间中极有可能如何成长，”Zou 说道。“例如，我们考虑了银河系中心超大质量黑洞的成长，该黑洞的质量为 400 万个太阳质量。我们的结果表明，我们星系的黑洞极有可能在宇宙时间中相对较晚地成长。”
　　除了邹博士和布兰特，研究团队成员还包括宾夕法尼亚州立大学研究生余志博、宾夕法尼亚州立大学统计学和天文学与天体物理学助理教授卓亨淑、密歇根大学的埃琳娜·加洛、中国南京大学的罗斌、德国马克斯·普朗克地外物理研究所的倪庆玲、中国科学技术大学的薛永泉以及荷兰格罗宁根大学的杨光。