百億年來超大質量黑洞的增長為何減緩？

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作者：喻知博

校對：遠山 真理

審核：牧夫天文校對組

美編：張一帆

后臺：王啟儒

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

一個由賓夕法尼亞州立大學研究者領銜的國際團隊，最近為一個天文學界長期存在的謎團給出了答案：為什么如今星系中央超大質量黑洞，其增長比過去慢了許多？

20世紀50年代末，天文學家利用地面可見光望遠鏡觀察天空中明亮的射電源。他們驚訝地發現，有些射電源在可見光波段也異常明亮，而且尺寸之小使其看起來就如同一顆恒星（圖1）。這類明亮而特殊的天體后來被稱為“類星體”，它們距離我們的銀河系極其遙遠。隨后，在70年代初，荷蘭裔美籍天文學家馬爾滕·施密特(Maarten Schmidt)通過系統性觀察類星體，得出了一個令人困惑的發現：距離我們越遙遠的類星體，其數量似乎越多。

圖1.哈勃空間望遠鏡拍攝的類星體與恒星圖像，二者在形態上幾乎無法區分. 圖源：參考文獻[1]

隨后的幾十年里，天文學家逐漸意識到，這些明亮的類星體本質上是由銀河系外星系中心活躍生長的超大質量黑洞驅動。許多生長中的超大質量黑洞亮度不及類星體，它們被統稱為“活動星系核”。由于光傳播到我們這里需要時間，當我們觀測遙遠的活動星系核時，實際上也在回溯過去：我們觀測的距離越遙遠，看到的宇宙歷史也越早。因此，施密特早期的發現實際上反映了超大質量黑洞的增長歷史。如今，天文學家早已追溯了黑洞們從宇宙誕生的前數億年至今、跨越近130億年的增長歷史。現有研究證實，約100億年前的“宇宙正午”是超大質量黑洞增長最為活躍的時期；此后，它們的增長持續放緩，如今的增長速率只有“宇宙正午”時期的約1/30。

黑洞增長大幅放緩的成因一直是個未解之謎。當黑洞吞噬氣體以維持增長時，氣體會受熱并發射大量的電磁輻射。其中就包括X射線——這種輻射常被用于醫學影像中，也會在極端的天體物理過程中產生。除此之外，活動星系核還會釋放其他能量的輻射，包括可見光和紅外線。大多數情況下，X射線輻射是黑洞正在增長的明確標志，其亮度可以反映黑洞的增長速率。利用這一特性，數十年來天文學家借助X射線望遠鏡觀測宇宙中不同距離的黑洞，發現黑洞增長確實在放緩。

圖2.兩張圖片中心的星系各擁有一個生長中的超大質量黑洞。圖中紫色代表X射線數據，彩色圖片則根據哈勃空間望遠鏡光學巡天相機(HST/WFC)與韋布空間望遠鏡近紅外相機(JWST/NIRCam)的圖像合成。圖源: 參考文獻[2]與本文作者

最近，一個由賓夕法尼亞州立大學的研究者領銜的研究團隊在《天體物理學報》發表論文，揭示了黑洞增長減緩的原因。研究者通過分析美國宇航局錢德拉X射線天文臺（Chandra X-ray Observatory）、歐空局XMM-牛頓望遠鏡，以及德國與俄羅斯合作的eROSITA這三臺空間X射線望遠鏡的觀測數據，并結合紫外、可見光、紅外波段的輔助觀測——涵蓋約130萬個星系和8000個正在增長的超大質量黑洞——厘清了黑洞增長放緩背后的原因。他們對當前黑洞增長放緩的三種主要假說進行了檢驗：

1.活躍增長的黑洞吸積氣體相對速率降低

2.活躍增長的黑洞典型質量減小

3.活躍增長的黑洞數量減少

他們的具體方法如下：通過黑洞發射的X射線亮度，可以推斷其氣體吸積速率；測量黑洞宿主星系的恒星質量，再通過兩者的標度關系估算出黑洞的質量；最后，在X射線波段探測到的星系（即存在生長中的超大質量黑洞）占總星系的比例，則反映了活躍增長的黑洞數量。

研究人員將覆蓋大天區的淺層巡天與針對極小天區的極深層觀測相結合。這套“寬而淺、深而窄”的巡天組合被形象地稱為“婚禮蛋糕”結構。在這個“蛋糕”中，XMM-牛頓和eROSITA構成了中層與底層，覆蓋范圍更廣但深度較淺；錢德拉則貢獻了頂層，在較小的天區內進行了深度觀測，從而能夠探測到更暗弱、更遙遠的黑洞。

團隊發現，隨著宇宙年齡的增長，活躍生長的黑洞吸積氣體的相對速率已大幅放緩——這很可能是因為自100億年前的“宇宙正午”以來，可供它們增長的冷氣體減少了——而生長中黑洞的典型質量以及數量卻沒有顯著下降。宇宙中的冷氣體始終處于供應與消耗的循環之中。星系中的恒星形成會消耗冷氣體，超新星爆發與黑洞噴流等過程則會加熱氣體或將氣體推出星系；與此同時，熱氣體也會逐漸冷卻，星系周介質中的氣體也會被吸積回星系，從而補充冷氣體。如此循環往復，但總體上冷氣體的凈供給量仍在不斷減少。研究人員預計，黑洞增長放緩的趨勢將一直持續下去。

圖3.三張示意圖展示了研究團隊所測試的三種可能情景，包含星系中正在增長的黑洞和休眠黑洞。上圖：如今增長的黑洞與過去質量相近，但整體更暗，表明其吸積氣體的速率整體下降。中圖：增長中的黑洞隨宇宙演化保持相似的吸積速率，但如今的黑洞增長主要發生在小質量的黑洞中。下圖：如今增長的黑洞與過去保持相似的質量與吸積氣體速率，但能維持同等增長水平的黑洞數量減少了。新研究提供了迄今最明確的證據，表明第一種情景——吸積速率下降——是導致觀測到的黑洞增長放緩的主要原因。圖源：本文作者

這項研究的一個關鍵難點在于：更大質量的黑洞和消耗氣體更快的黑洞都會產生更明亮的X射線輻射。不過，研究人員利用光學、紅外等其他波段的觀測數據不僅可以估算黑洞質量，還能將這兩個因素區分開來。

作者簡介：喻知博，目前為賓夕法尼亞州立大學天文與天體物理系博士生。主要研究方向為超大質量黑洞與宿主星系的共同演化。2022年獲復旦大學物理學學士學位。

參考文獻：

[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)

責任編輯：甘林

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新生恒星Ve 7–27

圖源：ESO

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