寻找早期宇宙中的超大质量黑洞

小乖欢颜僮

一个超大质量黑洞(SMBH；中心的小黑点)吸收周围的物质，当它流入时形成螺旋盘状。物质的重力能量被转换成辐射，并从圆盘发射出去。具有如此明亮外围的SMBHs被称为“类星体”鸣谢:爱媛大学林佳树·松冈

（）据爱媛大学：超大质量黑洞(SMBHs)——质量超过太阳100万倍的黑洞——已知在当今宇宙中普遍存在。然而，尚不清楚它们在138亿年的宇宙历史中何时、何地以及如何形成。

过去几十年的观测显示，每个星系的中心都有一个SMBH，黑洞质量几乎总是宿主星系质量的千分之一。这种密切的关系暗示着星系和SMBHs是共同进化的。因此，揭示smbh的起源不仅对了解smbh本身至关重要，而且对阐明可见宇宙的主要组成部分——星系的形成过程也至关重要。

解决这个问题的关键在于早期宇宙，自大爆炸(即宇宙的开始)以来的时间不到10亿年。由于光速有限，我们可以通过观察遥远的宇宙来回顾过去。当宇宙只有十亿岁或更小的时候，SMBHs就已经存在了吗？黑洞有可能在如此短的时间内获得如此大的质量(超过百万个太阳质量，有时达到数十亿个太阳质量)吗？如果是，潜在的物理机制和条件是什么？

为了进一步了解SMBHs的起源，我们需要观察它们，并将它们的性质与理论模型的预测进行比较。为了做到这一点，我们首先需要找到它们在天空中的位置。

在目前的研究中，我们使用了位于夏威夷莫纳克亚山顶的斯巴鲁望远镜。斯巴鲁最大的优势之一是它的大视野观察能力，这特别适合我们的目的。由于smbh不发光，我们寻找一种叫做“类星体”的特殊类型——smbh具有闪亮的外围，在那里下落的物质释放重力能量。

我们观测了相当于满月5000倍的广阔天空区域，成功发现了162个驻留在早期宇宙中的类星体。特别是，其中22颗生活在宇宙不到8亿岁的时代——迄今为止类星体被公认的最古老的时期。

我们发现的大量类星体使我们能够确定最基本的测量方法，称为“光度函数”，它将类星体的空间密度描述为辐射能量的函数。我们发现类星体在早期宇宙中形成得非常迅速，而光度函数的整体形状(除了振幅)随着时间的推移保持不变。

光度函数的这种特性为理论模型提供了强有力的约束，这些理论模型最终可以重现所有的观测结果，并描述SMBHs的起源。我们的研究发表在《天体物理学杂志快报》上。

另一方面，已知宇宙在其早期阶段经历了一个被称为“宇宙再电离”的主要相变。过去的观测表明，整个星系际空间在这一事件中被电离。电离能量的来源仍在争论中，来自类星体的辐射被认为是一个有希望的候选者。

通过对上述光度函数进行积分，我们发现在早期宇宙中，类星体在一侧1光年的单位体积内每秒发射1028个光子。这还不到当时维持星系际空间电离状态所需光子的1%，因此表明类星体对宇宙再电离的贡献很小。根据最近的其他观察，其他能源是非常需要的，这些能源可能是星系形成过程中来自大质量热恒星的综合辐射。