最近發表在天文學與天體物理學上的一項研究揭示了質量是太陽數十億倍的超大質量黑洞是如何在宇宙大爆炸後不到10億年內如此迅速地形成的。研究人員利用XMM-牛頓望遠鏡和錢德拉望遠鏡將21顆遙遠類星體的X射線輻射與早期宇宙中超大質量黑洞的快速增長聯繫起來，以超愛丁頓吸積率的發現挑戰了傳統物理學。

AI產生的正在吸積的超大質量黑洞的圖像，黑洞周圍的氣體沿著赤道面（吸積盤）向黑洞方向螺旋上升，並在黑洞吸積的過程中釋放出強大的物質風。 圖示是根據NASA 藝術家的概念圖繪製的，圖中的超大質量黑洞質量是太陽的數百萬到數十億倍。 圖片來源：Emanuela Tortosa 編輯

這項研究由美國國家天文物理研究所（INAF）的研究人員進行，分析了21 個迄今為止發現的最遙遠的類星體。 這些類星體是利用XMM-Newton 和錢德拉太空望遠鏡用X 射線波長觀測到的。

研究結果表明，這些類星體中心的超大質量黑洞是在宇宙的”宇宙黎明”時期形成的，它們很可能是通過極其快速和強烈的吸積而增長的，這為它們在早期宇宙中的巨大質量提供了令人信服的解釋。

類星體是高亮度的活動星系，由位於其中心的超大質量黑洞–也被稱為活動星系核驅動。 這些黑洞在吸積物質時會釋放出巨大的能量，使類星體成為宇宙中最亮、最遙遠的天體。 這項研究中所研究的類星體可以追溯到宇宙誕生不到10 億年的時期，是迄今為止觀測到的最早的宇宙結構之一。

XMM-Newton 的藝術家印象圖。 圖片來源：ESA-C. Carreau

X 射線洞察力與黑洞吸積

在這項工作中，對這些天體的X 射線輻射進行的分析揭示了位於其中心的超大質量黑洞的一種完全出乎意料的行為：X 射線輻射的形狀與類星體噴射出的物質風的速度之間出現了聯繫。 這種關係將高達每秒數千公里的風速與日冕中氣體的溫度連結在一起，而日冕是最靠近黑洞發射X射線的區域。 因此，日冕被證明與黑洞本身強大的吸積機制有關。

類星體的X射線發射能量較低，因此日冕的溫度較低，顯示出較快的風速。 這表明類星體處於高速增長階段，超過了物質增殖的物理極限愛丁頓極限，因此這一階段被稱為”超愛丁頓”。 相反，具有較高能量X射線發射的類星體往往表現出較緩慢的風。

這項研究的第一作者、羅馬INAF 的研究員Alessia Tortosa 說：”我們的工作表明，在宇宙誕生後的最初10 億年內形成的第一批類星體中心的超大質量黑洞，其質量實際上可能增加得非常快，挑戰了物理學的極限。最大的謎團之一提供了具體線索。

HYPERION 計畫與觀測活動

這項成果主要是透過分析歐洲太空總署（ESA）XMM-牛頓太空望遠鏡收集的數據而取得的，該望遠鏡對類星體進行了約700小時的觀測。 大部分數據是在2021年至2023年期間收集的，是XMM-牛頓多年遺產計劃的一部分，由羅馬INAF的研究員Luca Zappacosta指導，是HYPERION項目的一部分，該項目旨在研究宇宙黎明時期的超光度類星體。 這項廣泛的觀測活動由一個義大利科學家團隊領導，並得到了國家天文台的大力支持，國家天文台為該計畫提供了資金，從而支持了對宇宙早期結構演變動力學的前沿研究。

羅馬國家天文台研究員盧卡-扎帕科斯塔（Luca Zappacosta）說：「在HYPERION 計畫中，我們將重點放在兩個關鍵因素：一方面，仔細挑選要觀測的類星體，選擇那些巨無霸，也就是那些已經累積了盡可能多質量的類星體；另一方面，深入研究它們在X 射線中的特性，這是以前從未對如此大量的宇宙黎明天體進行過的嘗試。我們得到的結果確實出乎意料，它們都指向黑洞的超級愛丁頓生長機制。

透過將大型X射線望遠鏡與最先進的科學儀器結合，”雅典娜”將解決天文物理學中的關鍵問題，例如：普通物質是如何以及為什麼會聚集成星系結構（星系群）的？ 普通物質是如何以及為什麼會聚集成我們今天看到的結構（星系、星系群和星系團）的？ 黑洞是如何生長並塑造其環境以及星系的宇宙演化的？ 資料來源：歐空局

這項研究為未來的X 射線任務，如ATHENA（歐空局）、AXIS 和Lynx（美國國家航空暨太空總署）提供了重要的啟示，這些任務計畫在2030 至2040 年間發射。 事實上，所獲得的結果將有助於改進下一代觀測儀器，並為在更遙遠的宇宙紀元用X射線研究黑洞和活動星系核確定更好的戰略。 這些都是了解原始宇宙中第一批星系結構形成的關鍵因素。

編譯自/ ScitechDaily