X射线调查和超级计算机模拟相结合追踪了120亿年的宇宙黑洞生长

拓破天峙

研究人员将有史以来发射到太空的最强大的X射线设施的X射线观测与宇宙历史上星系形成的超级计算机模拟相结合，为星系中心超大质量黑洞的生长提供了迄今为止最好的建模。左边是结合X射线（蓝色）和光学（红色、绿色和蓝色）观测的图像，右边是使用IllustrisTNG进行宇宙学模拟的模拟气体柱密度。如艺术家的插图（插图）所示，观察到的X射线发射主要来自吸积的超大质量黑洞。图中短边的长度与天空中的满月看起来的大小相同。资料来源：F.Zou（宾夕法尼亚州立大学）等。；观察：XMM-SERVS协作；模拟：TNG协作；插图：Nahks TrEhnl（宾夕法尼亚州立大学）

据宾夕法尼亚州立大学：通过将最前沿的X射线观测与最先进的超级计算机对宇宙历史上星系形成的模拟相结合，研究人员为星系中心超大质量黑洞的生长提供了迄今为止最好的模型。使用这种混合方法，宾夕法尼亚州立大学天文学家领导的一个研究小组得出了120亿年来黑洞生长的完整图像，从宇宙的18亿年左右的婴儿期到现在的138亿年。

这项研究有两篇论文，一篇发表在《天体物理杂志》上，另一篇尚未发表，将提交给同一杂志。研究结果将在6月9日至6月13日在威斯康星州麦迪逊的Monona Terrace会议中心举行的美国天文学会第244次会议上公布。

宾夕法尼亚州立大学研究生、论文第一作者范邹说：“星系中心的超大质量黑洞质量是太阳的数百万到数十亿倍。”。“它们是如何变成这样的怪物的？这是天文学家几十年来一直在研究的问题，但很难追踪黑洞可靠生长的所有方式。”

超大质量黑洞通过两个主要通道的组合生长。它们消耗来自宿主星系的冷气体——这一过程被称为吸积——当星系碰撞时，它们可以与其他超大质量黑洞合并。

“在消耗宿主星系气体的过程中，黑洞会辐射出强烈的X射线，这是通过吸积追踪其生长的关键，”宾夕法尼亚州立大学埃伯利家族天文学和天体物理学讲座教授、物理学教授、研究团队领导人W·尼尔·布兰特说。“我们使用20多年来从有史以来发射到太空的三个最强大的X射线设施积累的X射线巡天数据来测量吸积驱动的增长。”

研究团队使用了来自美国国家航空航天局钱德拉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eROSITA望远镜的补充数据。他们总共测量了130万个星系样本中吸积驱动的生长，这些星系包含8000多个快速生长的黑洞。

邹说：“我们样本中的所有星系和黑洞在多个波长上都有很好的特征，在红外、光学、紫外线和X射线波段都有极好的测量结果。”。“这就有了强有力的结论，数据表明，在所有宇宙时代，质量更大的星系通过吸积更快地形成黑洞。凭借数据的质量，我们能够比过去更好地量化这一重要现象。”

超大质量黑洞生长的第二种方式是通过合并，即两个超大质量黑洞碰撞并合并在一起，形成一个更大质量的黑洞。为了跟踪合并的增长，该团队使用了IllustrisTNG，这是一组超级计算机模拟，模拟了从大爆炸后不久到现在的星系形成、演化和合并。

布兰特说：“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，以再现超大质量黑洞的增长历史。”。“通过这种新方法，我们相信我们已经绘制出了迄今为止超大质量黑洞生长的最真实的图像。”

研究人员发现，在大多数情况下，吸积主导了黑洞的生长。合并做出了显著的次要贡献，尤其是在过去50亿年的宇宙时间里，对质量最大的黑洞来说。总的来说，所有质量的超大质量黑洞在宇宙年轻时增长得更快。正因为如此，到70亿年前，超大质量黑洞的总数几乎已经确定，而在宇宙早期，许多新的黑洞不断出现。

邹说：“通过我们的方法，我们可以追踪局部宇宙中的中心黑洞很可能是如何随着宇宙时间的推移而增长的。”。“例如，我们考虑了银河系中心超大质量黑洞的生长，该黑洞的质量为400万太阳质量。我们的结果表明，银河系的黑洞很可能在宇宙时间内生长得相对较晚。”

除了邹和布兰特，研究团队还包括宾夕法尼亚州立大学的研究生俞志波；Hyungsuk Tak，宾夕法尼亚州立大学统计学、天文学和天体物理学助理教授；密歇根大学的Elena Gallo；南京大学罗斌；德国马克斯·普朗克地外物理研究所的倪庆玲；中国科学技术大学薛永泉；和荷兰格罗宁根大学的GuangYang。