X射線和計算機模擬揭示了黑洞120億年的歷史

針對宇宙演化的模擬解決了超大黑洞之謎？

圖片的左側是一張正在吸積的超大質量黑洞的X射線照片（放大的照片是藝術圖），圖片的右側是IllustrisTNG對宇宙星系的演化的模擬圖。（圖源：F. Zou/Penn State, et al.; Observations: The XMM-SERVS Collaboration; Simulations: The TNG Collaboration; Illustration: Nahks TrEhnl/Penn State/Penn State）

每個星系的黑色心臟中都會有一個超大質量黑洞，今天，它們終於將自己幾乎完整的歷史說了出來。天文學家結合了X射線觀測結果和超級計算機的模擬結果，整理出來了超大質量黑洞的一部編年史。

在編寫這段編年史的過程中，科學家們發現了銀河系中心黑洞在其歷史中相對晚的時候才獲得了它的400萬太陽質量。

超大質量黑洞的質量在幾百萬倍太陽質量到幾十億倍太陽質量浮動，但是我們並不清除爲什麼這麼大。

但是現在，賓夕法尼亞州立大學的天文學家鄒範（音譯）和W·尼爾·勃蘭特所領導的團隊通過觀測數據和模擬連接了兩種黑洞長大的理論，這至少會提供一些線索。

“關於黑洞演化的模型，一個很大的問題就是超大質量黑洞是怎麼獲得這些超大質量的？”鄒在威斯康星州舉辦的第244次美國天文學會的會議中說道。“爲了解決這個問題，我們需要跟蹤超大質量黑洞在歷史中的演化。”之前提到過，黑洞吸收質量主要有兩種方式，第一種是通過吸積冷的氣體。氣體會在黑洞周圍形成吸積盤，然後慢慢的螺旋式落入黑洞。由於氣體分子之間的摩擦，吸積盤可以加熱到幾百萬度，同時輻射出大量的X射線。另外一個機制是星系的碰撞和融合，當兩個星系融合時，其核心的超大質量黑洞也會融合。這個過程比較緩慢，但是當兩個黑洞融合時，會劇烈的扭曲周圍的時空，產生引力波。

爲了檢測吸積氣體是如何爲超大質量黑洞增加質量作出貢獻的，研究團隊研究了NASA的錢德拉塞卡X射線望遠鏡，歐空局XMM-牛頓衛星和德國-俄羅斯聯合發射的Spektr-RG 上搭載的eROSITA X射線探測器的20多年的數據。他們從中找到了8000多個從快速增長的黑洞中發射出的X射線信號。“當超大質量黑洞吸積氣體時，黑洞會輻射出大量的X射線，因此通過檢測X射線強度，可以推斷出黑洞吸積的強度。”鄒解釋道。

研究團隊然後把目光轉向了IllustrisTNG宇宙學超級計算機，利用它去模擬星系在宇宙膨脹過程中星系的碰撞情況。從這裡，研究團隊結合了X射線信號和模擬，去了解過去120億年中超大質量黑洞是如何通過吸積而獲得質量的。

這些模擬“可以模擬宇宙大尺度結構演化，也可以對單個星系作出探測。”鄒說道。

鄒和勃蘭特發現，根據X射線信號的分析，在宇宙所有的時段內，超大質量黑洞成長的主導因素都是吸積。另外，黑洞的宿主星系質量越大，其內部的超大質量黑洞的吸積速率就越大。然而，黑洞之間的合併與超大質量黑洞成長僅有着有限而不主導的關係。

“吸積主導了大多數超大質量黑洞的成長，而合併提供了些顯著的次要成長。”鄒說。

研究結果表明，超大質量黑洞在宇宙早期的成長速度十分的快，這些黑洞一個又一個的冒出來。但是在大約70億年前，超大質量黑洞的形成速度就降下來了很多，其數目大約就成爲了一個常數。大約40億年前，合併就起到了一個比吸積更重要的促使超大質量黑洞成長的因素。

“我們發現，當宇宙年齡達到現在40%時候，宇宙中超大質量黑洞的數密度就和人類現在在臨近宇宙中的數密度相似了。”鄒說到。

天文學家們針對銀河系中心黑洞（人馬座A*）也做出了模擬，發現人馬座A*的大部分質量是在宇宙時間相對晚的時候才獲得的，銀河系與其他星系碰撞發生在大約80億到100億年前發生，因此其質量獲得的方式是靠吸積。但是歐空局（ESA）的Gaia衛星最近找到了銀河系在20到30億年前與一個矮星系碰撞的證據。矮星系被認爲是帶有中等質量黑洞的星系，其質量從幾萬到幾十萬太陽質量之間浮動，人馬座A*有可能在歷史中與一個這樣的黑洞碰撞過，增加了人馬座A*的質量。

因爲這個模擬是從大爆炸後18億年後開始的，它並不能給出超大質量黑洞的“種子”是如何形成的。這仍是目前天文學家面臨的一個難題，特別是哈勃望遠鏡和詹姆斯韋伯望遠鏡已經發現了宇宙早期的超大質量黑洞。它們是如何在不到10億年間就獲得了幾百萬倍太陽質量仍然是個未解之謎。關於該研究的第一篇論文發表在天文物理期刊上，第二篇論文正在審覈中。

BY: Keith Cooper

FY: Chen Li.

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