X射線調查和超級計算機模擬相結合追蹤了120億年的宇宙黑洞生長 _宇宙

研究人員將有史以來發射到太空的最強大的X射線設施的X射線觀測與宇宙歷史上星系形成的超級計算機模擬相結合，為星系中心超大質量黑洞的生長提供了迄今為止最好的建模。左邊是結合X射線（藍色）和光學（紅色、綠色和藍色）觀測的圖像，右邊是使用IllustrisTNG進行宇宙學模擬的模擬氣體柱密度。如藝術家的插圖（插圖）所示，觀察到的X射線發射主要來自吸積的超大質量黑洞。圖中短邊的長度與天空中的滿月看起來的大小相同。資料來源：F.Zou（賓夕法尼亞州立大學）等。；觀察：XMM-SERVS協作；模擬：TNG協作；插圖：Nahks TrEhnl（賓夕法尼亞州立大學）
據賓夕法尼亞州立大學：通過將最前沿的X射線觀測與最先進的超級計算機對宇宙歷史上星系形成的模擬相結合，研究人員為星系中心超大質量黑洞的生長提供了迄今為止最好的模型。使用這種混合方法，賓夕法尼亞州立大學天文學家領導的一個研究小組得出了120億年來黑洞生長的完整圖像，從宇宙的18億年左右的嬰兒期到現在的138億年。
這項研究有兩篇論文，一篇發表在《天體物理雜志》上，另一篇尚未發表，將提交給同一雜志。研究結果將在6月9日至6月13日在威斯康星州麥迪遜的Monona Terrace會議中心舉行的美國天文學會第244次會議上公布。
賓夕法尼亞州立大學研究生、論文第一作者范鄒說：“星系中心的超大質量黑洞質量是太陽的數百萬到數十億倍。” 。“它們是如何變成這樣的怪物的？這是天文學家幾十年來一直在研究的問題，但很難追蹤黑洞可靠生長的所有方式。”
超大質量黑洞通過兩個主要通道的組合生長。它們消耗來自宿主星系的冷氣體——這一過程被稱為吸積——當星系碰撞時，它們可以與其他超大質量黑洞合并。
“在消耗宿主星系氣體的過程中，黑洞會輻射出強烈的X射線，這是通過吸積追蹤其生長的關鍵， ”賓夕法尼亞州立大學埃伯利家族天文學和天體物理學講座教授、物理學教授、研究團隊領導人W·尼爾·布蘭特說。“我們使用20多年來從有史以來發射到太空的三個最強大的X射線設施積累的X射線巡天數據來測量吸積驅動的增長。”
研究團隊使用了來自美國國家航空航天局錢德拉X射線天文臺、歐洲航天局X射線多鏡任務牛頓（XMM-Newton）和馬克斯·普朗克地外物理研究所eROSITA望遠鏡的補充數據。他們總共測量了130萬個星系樣本中吸積驅動的生長，這些星系包含8000多個快速生長的黑洞。
鄒說：“我們樣本中的所有星系和黑洞在多個波長上都有很好的特征，在紅外、光學、紫外線和X射線波段都有極好的測量結果。” 。“這就有了強有力的結論，數據表明，在所有宇宙時代，質量更大的星系通過吸積更快地形成黑洞。憑借數據的質量，我們能夠比過去更好地量化這一重要現象。”
超大質量黑洞生長的第二種方式是通過合并，即兩個超大質量黑洞碰撞并合并在一起，形成一個更大質量的黑洞。為了跟蹤合并的增長，該團隊使用了IllustrisTNG，這是一組超級計算機模擬，模擬了從大爆炸后不久到現在的星系形成、演化和合并。
布蘭特說：“在我們的混合方法中，我們將觀測到的吸積增長與模擬的合并增長相結合，以再現超大質量黑洞的增長歷史。” 。“通過這種新方法，我們相信我們已經繪制出了迄今為止超大質量黑洞生長的最真實的圖像。”
研究人員發現，在大多數情況下，吸積主導了黑洞的生長。合并做出了顯著的次要貢獻，尤其是在過去50億年的宇宙時間里，對質量最大的黑洞來說。總的來說，所有質量的超大質量黑洞在宇宙年輕時增長得更快。正因為如此，到70億年前，超大質量黑洞的總數幾乎已經確定，而在宇宙早期，許多新的黑洞不斷出現。
鄒說：“通過我們的方法，我們可以追蹤局部宇宙中的中心黑洞很可能是如何隨著宇宙時間的推移而增長的。” 。“例如，我們考慮了銀河系中心超大質量黑洞的生長，該黑洞的質量為400萬太陽質量。我們的結果表明，銀河系的黑洞很可能在宇宙時間內生長得相對較晚。”
除了鄒和布蘭特，研究團隊還包括賓夕法尼亞州立大學的研究生俞志波；Hyungsuk Tak ，賓夕法尼亞州立大學統計學、天文學和天體物理學助理教授；密歇根大學的Elena Gallo；南京大學羅斌；德國馬克斯·普朗克地外物理研究所的倪慶玲；中國科學技術大學薛永泉；和荷蘭格羅寧根大學的GuangYang 。