揭开神秘的面纱：超大质量黑洞是如何变得如此巨大的？

研究人员结合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过程。他们的研究结果表明，黑洞的增长主要是由吸积驱动的，而兼并则起次要作用，尤其是在宇宙早期。这些发现有助于解释黑洞在宇宙年轻阶段的快速增长。 超大质量黑洞是如何获得超大质量的？

通过将最前沿的 X 射线观测与最先进的超级计算机模拟相结合，研究人员对星系中心发现的超大质量黑洞的成长过程进行了迄今为止最好的建模。利用这种混合方法，宾夕法尼亚州立大学天文学家领导的研究小组得出了黑洞在 120 亿年中生长的完整图景，从宇宙诞生之初的大约 18 亿年到现在的 138 亿年。

这项研究包括两篇论文，一篇发表在2024年4月的《天体物理学杂志》上，另一篇尚未发表，将提交给同一杂志。研究成果将在6月9日至6月13日在威斯康星州麦迪逊市莫诺纳露台会议中心举行的美国天文学会第244届会议上公布。该成果在新闻发布会上进行了专题介绍，新闻发布会进行了现场直播，现在就可以观看：

论文第一作者、宾夕法尼亚州立大学研究生邹凡（音译）说："星系中心的超大质量黑洞的质量是太阳质量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，但一直难以可靠地追踪黑洞生长的所有方式。"

超大质量黑洞主要通过两种途径生长。它们消耗宿主星系中的冷气体--这个过程被称为吸积--当星系碰撞时，它们会与其他超大质量黑洞合并。

"在吞噬宿主星系气体的过程中，黑洞会放射出强烈的X射线，这是追踪黑洞吸积增长的关键，"研究小组负责人、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兼物理学教授W. Niel Brandt说。"我们利用有史以来发射到太空的三个最强大的 X 射线设施 20 多年来积累的 X 射线巡天数据测量了吸积驱动的增长。"

研究小组使用了来自美国宇航局钱德拉X射线天文台、欧洲航天局的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。总共测量了包含 8000 多个快速增长黑洞的 130 万个星系样本中的吸积驱动增长。

研究人员将迄今为止发射到太空的最强大 X 射线设施的 X 射线观测结果与超级计算机模拟的星系在宇宙历史中的堆积过程相结合，为星系中心发现的超大质量黑洞的生长提供了迄今为止最好的模型。左侧是结合 X 射线（蓝色）和光学（红、绿、蓝）观测结果的图像，右侧是利用 IllustrisTNG 进行宇宙学模拟后得到的模拟气体柱密度。观测到的 X 射线辐射主要来自吸积超大质量黑洞，如插图所示。图中短边的长度与天空中满月的表面大小相同。资料来源：F.Zou (Penn State) et al：观测：XMM-SERVS 协作组；模拟：TNG 协作组；插图：XMM-SERVS 协作组：插图：Nahks TrEhnl（宾夕法尼亚州立大学）

Zou说："我们样本中的所有星系和黑洞在多个波长上都有非常好的特征，在红外、光学、紫外和X射线波段都有极好的测量。数据显示，在所有宇宙纪元，质量更大的星系通过吸积黑洞的速度更快。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。"

超大质量黑洞增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，形成一个质量更大的黑洞。为了追踪合并后的增长，研究小组使用了IllustrisTNG，这是一套超级计算机模拟，模拟了从宇宙大爆炸后不久到现在的星系形成、演化和合并过程。

Brandt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结合起来，重现了超大质量黑洞的增长历史。我们相信，通过这种新方法，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，吸积主导了黑洞的增长。合并起了显著的辅助作用，尤其是在过去 50 亿年的宇宙时间里，对于最大规模的黑洞而言。总的来说，在宇宙年轻的时候，所有质量的超大质量黑洞的增长速度都要快得多。正因为如此，到 70 亿年前，超大质量黑洞的总数几乎已经定型，而在宇宙早期，许多新的黑洞还在不断涌现。

"通过我们的方法，我们可以追踪局域宇宙中的中心黑洞最有可能是如何随着宇宙时间的推移而增长的，"Zou说。"举例来说，我们考虑了银河系中心超大质量黑洞的成长过程，它的质量为 400 万太阳质量。我们的研究结果表明，我们银河系的黑洞很可能是在宇宙时间相对较晚的时候才成长起来的。"

编译自/scitechdaily