最新研究揭示超大质量黑洞及其宿主星系的演化路径

2023年8月17日在线发表在《自然 · 天文学》杂志上的最新论文《活动星系核及其宿主星系的演化路径》为研究超大质量黑洞及其宿主星系的协同演化提供了重要的新见解。该研究由2022年毕业于北京大学的伊利诺伊大学厄巴纳—香槟分校庄明阳博士和北京大学科维理天文与天体物理研究所何子山教授完成。北京大学为论文第一作者单位。

借助Pan-STARRS1 3PI Steradian巡天的数据，他们对将近11500个红移≤0.35的I型活动星系核宿主星系的结构和测光性质进行了测量，由此深入研究了近邻宇宙中黑洞质量与宿主星系物理性质之间的关系。

长期以来，天文学家一直对超大质量黑洞的质量与宿主星系物理性质之间的紧密相关性保持着浓厚的兴趣，然而对于黑洞与星系之间的关系是如何形成的，以及它们如何随时间演化尚未达成一致意见。

在近邻宇宙中，活动星系的黑洞质量与宿主星系性质之间具体的关系仍不清楚。

该项研究发现活动星系遵循相似的黑洞质量—恒星质量关系，不受星系类型的影响。

星系在黑洞质量—恒星质量关系上的位置与恒星形成与黑洞吸积活动有关。

庄明阳博士说：“我们的研究结果揭示了星系在黑洞质量—恒星质量平面上的演化路径。

星系及其中心的超大质量黑洞的协同演化似乎在长时间尺度上同步进行。

小部分“超重”黑洞栖息的星系会通过形成更多的恒星来赶上大部队，而那些拥有过小质量的黑洞的星系则会给黑洞提供更多的食物供它们生长。

最终，黑洞和星系两者达到了一个相对平衡的状态。

”图例：左图描绘了星系在黑洞质量—恒星质量平面上向红移=0演化的路径。

演化路径由箭头的方向和长度所表示。

红色、绿色和蓝色的椭圆代表了红移≳6类星体（quasar）和疑似拥有过小质量黑洞的星系的典型位置，包括红移2左右的亚毫米波星系（SMG），近邻的亮红外星系（LIRG）和I型窄线赛弗特星系（NLS1）。

黑线表示拥有不活跃黑洞的局域星系的位置。

右图展示了该研究中四个低红移I型活动星系核的多波段叠加彩色图像。

对于在黑洞质量—恒星质量平面与非活动局域星系分布一致的活动星系，黑洞吸积和恒星形成活动对气体供应的共同依赖很大程度上可以解释黑洞与宿主星系之间的同步生长。

对于拥有过小质量的黑洞，低于非活动星系关系的活动星系，它们的演化路径支持近期数值模拟中提出的一种情景：黑洞的增长最初落后于它的宿主星系，但是当恒星质量增大至气体稳定后情况发生反转。

对于拥有过大质量的黑洞，高于非活动星系关系的活动星系，它们仍能继续增长恒星质量。

这一结果与在早型活动星系中探测到活跃的恒星形成活动和丰富气体含量一致。

这些演化路径表明，被认为会抑制恒星形成活动的辐射模式（radiative-mode）活动星系核反馈很难有效的影响低于黑洞质量—恒星质量关系的星系，同时动能模式（kinetic-mode）活动星系核反馈似乎不能抑制高于黑洞质量—恒星质量关系的星系长期的恒星质量增长。

何子山教授表示：“这项工作在超大质量黑洞及其宿主星系协同演化领域提出了新的见解，给研究黑洞质量—星系恒星质量关系的宇宙学演化提供了新的框架，同时也给研究黑洞反馈机制以及黑洞与宿主星系之间相互作用的数值模拟提供了关键的观测约束。

” 《自然 · 天文学》的编辑高度赞扬：“这篇文章探索了近邻宇宙中星系在黑洞质量—恒星质量平面上的演化路径，将恒星形成和黑洞吸积活动联系起来，为活动星系核反馈提供了关键约束。

”一位审稿人说：“这篇论文的发现非常有趣，对于我们理解黑洞和星系的协同演化，彼此相关性的宇宙学演化，及其与恒星形成和黑洞吸积活动的联系起着至关重要的作用。

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