最近发表在天文学与天体物理学上的一项研究揭示了质量是太阳数十亿倍的超大质量黑洞是如何在宇宙大爆炸后不到10亿年内如此迅速地形成的。研究人员利用XMM-牛顿望远镜和钱德拉望远镜将21颗遥远类星体的X射线辐射与早期宇宙中超大质量黑洞的快速增长联系起来，以超爱丁顿吸积率的发现挑战了传统物理学。
AI生成的正在吸积的超大质量黑洞的图像，黑洞周围的气体沿着赤道面（吸积盘）向黑洞方向螺旋上升，并在黑洞吸积的过程中释放出强大的物质风。 该图示是根据 NASA 艺术家的概念图绘制的，图中的超大质量黑洞质量是太阳的数百万到数十亿倍。 图片来源：Emanuela Tortosa 编辑
这项研究由美国国家天体物理研究所（INAF）的研究人员进行，分析了 21 个迄今为止发现的最遥远的类星体。 这些类星体是利用 XMM-Newton 和钱德拉太空望远镜用 X 射线波长观测到的。
研究结果表明，这些类星体中心的超大质量黑洞是在宇宙的"宇宙黎明"时期形成的，它们很可能是通过极其快速和强烈的吸积而增长的，这为它们在早期宇宙中的巨大质量提供了令人信服的解释。
类星体是高亮度的活动星系，由位于其中心的超大质量黑洞--也被称为活动星系核驱动。 这些黑洞在吸积物质时会释放出巨大的能量，使类星体成为宇宙中最亮、最遥远的天体。 这项研究中所研究的类星体可以追溯到宇宙诞生不到 10 亿年的时期，是迄今为止观测到的最早的宇宙结构之一。
XMM-Newton 的艺术家印象图。 图片来源：ESA-C. Carreau
X 射线洞察力与黑洞吸积
在这项工作中，对这些天体的 X 射线辐射进行的分析揭示了位于其中心的超大质量黑洞的一种完全出乎意料的行为：X 射线辐射的形状与类星体喷射出的物质风的速度之间出现了联系。 这种关系将高达每秒数千公里的风速与日冕中气体的温度联系在一起，日冕是最靠近黑洞发射X射线的区域。 因此，日冕被证明与黑洞本身强大的吸积机制有关。
类星体的X射线发射能量较低，因此日冕的温度较低，显示出较快的风速。 这表明类星体处于高速增长阶段，超过了物质增殖的物理极限爱丁顿极限，因此这一阶段被称为"超爱丁顿"。 相反，具有较高能量X射线发射的类星体往往表现出较缓慢的风。
这项研究的第一作者、罗马 INAF 的研究员 Alessia Tortosa 说："我们的工作表明，在宇宙诞生后的最初 10 亿年内形成的第一批类星体中心的超大质量黑洞，其质量实际上可能增加得非常快，挑战了物理学的极限。发现 X 射线发射与风之间的这种联系，对于理解如此巨大的黑洞如何在如此短的时间内形成至关重要，从而为解开现代天体物理学最大的谜团之一提供了具体线索。"
HYPERION 项目和观测活动
这项成果主要是通过分析欧洲航天局（ESA）XMM-牛顿太空望远镜收集的数据而取得的，该望远镜对类星体进行了约700小时的观测。 大部分数据是在2021年至2023年期间收集的，是XMM-牛顿多年遗产计划的一部分，由罗马INAF的研究员Luca Zappacosta指导，是HYPERION项目的一部分，该项目旨在研究宇宙黎明时期的超光度类星体。 这项广泛的观测活动由一个意大利科学家团队领导，并得到了国家天文台的大力支持，国家天文台为该项目提供了资金，从而支持了对宇宙早期结构演变动力学的前沿研究。
罗马国家天文台研究员卢卡-扎帕科斯塔（Luca Zappacosta）说："在 HYPERION 计划中，我们重点关注两个关键因素：一方面，仔细挑选要观测的类星体，选择那些巨无霸，也就是那些已经积累了尽可能多质量的类星体；另一方面，深入研究它们在 X 射线中的特性，这是以前从未对如此大量的宇宙黎明天体进行过的尝试。 我们中大奖了！ 我们得到的结果确实出乎意料，它们都指向黑洞的超级爱丁顿生长机制。"
通过将大型X射线望远镜与最先进的科学仪器相结合，"雅典娜"将解决天体物理学中的关键问题，例如：普通物质是如何以及为什么会聚集成星系结构（星系群）的？ 普通物质是如何以及为什么会聚集成我们今天看到的结构（星系、星系群和星系团）的？ 黑洞是如何生长并塑造其环境以及星系的宇宙演化的？ 资料来源：欧空局
这项研究为未来的 X 射线任务，如 ATHENA（欧空局）、AXIS 和 Lynx（美国国家航空航天局）提供了重要的启示，这些任务计划在 2030 至 2040 年间发射。 事实上，所获得的结果将有助于改进下一代观测仪器，并为在更遥远的宇宙纪元用X射线研究黑洞和活动星系核确定更好的战略。 这些都是了解原始宇宙中第一批星系结构形成的关键因素。
编译自/ScitechDaily
