賓州州立大學的研究小組透過整合X 射線資料和星系形成模擬，加深了我們對超大質量黑洞成長的理解。他們的研究結果表明，黑洞的成長主要是由吸積驅動的，而合併則是次要的，尤其是在宇宙早期。這些發現有助於解釋黑洞在宇宙年輕階段的快速成長。

研究人員結合X射線勘測和超級電腦模擬，追蹤了120億年的宇宙黑洞成長過程。他們的研究結果表明，黑洞的成長主要是由吸積驅動的，而合併則起次要作用，尤其是在宇宙早期。這些發現有助於解釋黑洞在宇宙年輕階段的快速成長。 超大質量黑洞是如何獲得超大的質量？

透過將最前沿的X 射線觀測與最先進的超級電腦模擬相結合，研究人員對星系中心發現的超大質量黑洞的成長過程進行了迄今為止最好的建模。利用這種混合方法，賓州州立大學天文學家領導的研究小組得出了黑洞在120 億年中生長的完整圖景，從宇宙誕生之初的大約18 億年到現在的138 ​​億年。

這項研究包括兩篇論文，一篇發表在2024年4月的《天文物理學雜誌》上，另一篇尚未發表，將提交給同一本雜誌。研究成果將於6月9日至6月13日於威斯康辛州麥迪遜市莫諾納露台會議中心舉行的美國天文學會第244屆會議上發表。該成果在新聞發布會上進行了專題介紹，新聞發布會進行了現場直播，現在就可以觀看：

論文第一作者、賓州州立大學研究生鄒凡（音譯）說：”星系中心的超大質量黑洞的質量是太陽質量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，但一直難以可靠地追蹤黑洞生長的所有方式。

超大質量黑洞主要透過兩種途徑生長。它們消耗宿主星系中的冷氣體–這個過程稱為吸積–當星系碰撞時，它們會與其他超大質量黑洞合併。

“在吞噬宿主星系氣體的過程中，黑洞會放射出強烈的X射線，這是追蹤黑洞吸積增長的關鍵，」研究小組負責人、賓州州立大學天文學和天體物理學埃伯利家族講座教授兼物理學教授W. Niel Brandt說。 “我們利用有史以來發射到太空的三個最強大的X 射線設施20 多年來積累的X 射線巡天數據測量了吸積驅動的增長。”

研究團隊使用了美國太空總署錢德拉X射線天文台、歐洲太空總署的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的eROSITA望遠鏡的補充資料。總共測量了包含8,000 多個快速成長黑洞的130 萬個星系樣本中的吸積驅動成長。

研究人員將迄今為止發射到太空的最強大X 射線設施的X 射線觀測結果與超級電腦模擬的星系在宇宙歷史中的堆積過程相結合，為星系中心發現的超大質量黑洞的生長提供了迄今為止最好的模型。左側是結合X 射線（藍色）和光學（紅、綠、藍）觀測結果的影像，右側則是利用IllustrisTNG 進行宇宙學模擬後所得到的模擬氣體柱密度。觀測到的X 射線輻射主要來自吸積超大質量黑洞，如圖所示。圖中短邊的長度與​​天空中滿月的表面大小相同。資料來源：F.Zou (Penn State) et al：觀測：XMM-SERVS 協作組；模擬：TNG 協作組；插圖：XMM-SERVS 協作組：插圖：Nahks TrEhnl（賓州州立大學）

Zou說：”我們樣本中的所有星系和黑洞在多個波長上都有非常好的特徵，在紅外線、光學、紫外線和X射線波段都有極好的測量。數據顯示，在所有宇宙紀元，質量較大的星系透過吸積黑洞的速度更快。

超大質量黑洞成長的第二種方式是透過合併，即兩個超大質量黑洞碰撞並合併在一起，形成一個更大質量的黑洞。為了追蹤合併後的成長，研究團隊使用了IllustrisTNG，這是一套超級電腦模擬，模擬了從宇宙大爆炸後不久到現在的星系形成、演化和合併過程。

Brandt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併增長結合起來，重現了超大質量黑洞的增長歷史。我們相信，透過這種新方法，我們已經繪製出了迄今為止最真實的超大質量黑洞成長圖景。

研究人員發現，在大多數情況下，吸積主導了黑洞的成長。合併起了顯著的輔助作用，尤其是在過去50 億年的宇宙時間裡，對於最大規模的黑洞而言。總的來說，在宇宙年輕的時候，所有質量的超大質量黑洞的成長速度都要快得多。正因如此，到70 億年前，超大質量黑洞的總數幾乎已經定型，而在宇宙早期，許多新的黑洞仍在不斷湧現。

“透過我們的方法，我們可以追蹤局域宇宙中的中心黑洞最有可能是如何隨著宇宙時間的推移而增長的，”Zou說。 “舉例來說，我們考慮了銀河系中心超大質量黑洞的成長過程，它的質量為400 萬太陽質量。我們的研究結果表明，我們銀河系的黑洞很可能是在宇宙時間相對較晚的時候才成長起來的。

編譯自/ scitechdaily