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宇宙中的黑洞增長正在放緩 新研究可能有助于解釋原因

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宇宙中的黑洞增長正在放緩 新研究可能有助于解釋原因


超大質量黑洞的計算機模擬圖像 。（圖片來源：美國國家航空航天局、歐洲航天局和D.Coe、J.Anderson和R.van der Marel（STScI））
據美國生活科學網站（Fan Zou, W. Niel Brandt）：黑洞是一種引人注目的天體，其引力如此之強，以至于任何東西 ， 甚至光 ， 都無法逃脫 。最巨大的黑洞被稱為“超大質量”黑洞 ， 其質量可達太陽的數百萬至數十億倍 。
這些巨人通常生活在星系的中心 。我們自己的銀河系在其中心也包含一個超大質量黑洞 。
那么，這些超大質量黑洞是如何變成超大質量的呢？為了回答這個問題，我們的天體物理學家團隊回顧了宇宙138億年的歷史 ， 以追蹤超大質量黑洞從早期到今天是如何增長的 。
我們構建了一個過去120億年超大質量黑洞整體增長歷史的模型 。
超大質量黑洞是如何生長的？
超大質量黑洞主要以兩種方式生長 。它們可以在一個稱為吸積的過程中消耗宿主星系的氣體，當兩個星系碰撞時 ， 它們也可以相互融合 。
當超大質量黑洞消耗氣體時，它們幾乎總是發射出強烈的X射線，這是一種肉眼看不見的高能光 。你可能聽說過牙醫的X光片 ， 有時會用來檢查你的牙齒 。天文學家使用的X射線通常比醫用X射線的能量低 。
那么，任何光，甚至是看不見的X射線，怎么能從黑洞中逃逸呢？嚴格來說，光不是來自黑洞本身，而是來自黑洞外的氣體 。當氣體被拉向黑洞時，它會加熱并發光，就像X射線一樣 。超大質量黑洞消耗的氣體越多，它產生的X射線就越多 。

宇宙中的黑洞增長正在放緩 新研究可能有助于解釋原因


一位藝術家對超大質量黑洞吸積的插圖 。中心黑洞是黑色的，而其周圍的氣體會加熱并發光 。（圖片來源：NASA/JPL加州理工學院）
得益于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——錢德拉、XMM-Newton和eROSITA——積累的數據 ， 天文學家可以從宇宙中大量吸積的超大質量黑洞中捕獲X射線 。
這些數據使我們的研究團隊能夠估算超大質量黑洞通過消耗氣體而增長的速度 。平均而言，超大質量黑洞每年可以消耗足夠的氣體，其質量大約相當于太陽的質量，確切的值取決于各種因素 。
例如，數據顯示，黑洞在數百萬年內的平均增長率與其宿主星系中所有恒星的質量密切相關 。
超大質量黑洞多久合并一次？
除了以氣體為食外，超大質量黑洞還可以在星系碰撞時通過相互融合形成一個更大質量的黑洞來生長 。
超級計算機宇宙學模擬可以預測這些事件發生的頻率 。這些模擬旨在模擬宇宙如何隨著時間的推移而增長和演化 。無數在太空中飛行的星系有點像磚塊，構成了宇宙 。
這些模擬表明，星系和它們所在的超大質量黑洞可以在宇宙歷史的跨度內經歷多次合并 。
我們的團隊使用X射線和超級計算機模擬追蹤了這兩個增長通道——氣體消耗和合并，然后將它們結合起來構建了這一總體增長歷史 ， 描繪了數十億年來宇宙中黑洞的增長 。
我們的增長歷史表明，數十億年前 ， 當宇宙更年輕時，超大質量黑洞的增長速度要快得多 。
早在早期 ， 宇宙中就含有更多的氣體供超大質量黑洞消耗，超大質量黑洞不斷出現 。隨著宇宙的老化，氣體逐漸耗盡 ， 超大質量黑洞的生長速度減慢 。大約80億年前，超大質量黑洞的數量趨于穩定 。自那以后，它沒有大幅增加 。

宇宙中的黑洞增長正在放緩 新研究可能有助于解釋原因


兩個超大質量黑洞合并的圖示 。（圖片來源：Scott Noble（美國國家航空航天局GSFC））
當沒有足夠的氣體可供超大質量黑洞通過吸積生長時，它們變大的唯一方法就是合并 。在我們的成長史上，我們沒有看到太多這樣的案例 。平均而言，質量最大的黑洞可以以每幾十年相當于太陽質量的速度從合并中積累質量 。
期待
這項研究幫助我們了解了黑洞中90%以上的質量是如何在過去120億年中積累的 。
然而，我們仍然需要研究它們在早期宇宙中是如何生長的，以解釋黑洞中剩余的幾個質量百分比 。天文界開始在探索這些早期超大質量黑洞方面取得進展，我們希望很快能找到更多的答案 。
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