宇宙巨兽的兴衰：超大质量黑洞种群的演变之旅

我们所在的宇宙亘古而浩瀚：日月之行，载于其中；星汉灿烂，蕴于其里。现代宇宙学揭示，我们所见的宇宙不仅仅是空间的广袤，更是时间的流转，是一个时间与空间交织的宏大四维结构。早在战国时期，诸子百家之一的尸佼便对宇宙有着精辟的见解：“天地四方曰宇，往来古今曰宙”。这一古老的宇宙观与现代宇宙学不谋而合。

当我们抬头仰望星空，或通过望远镜凝视无尽的深空，我们所见的并非是一个“同时刻”的宇宙，而是由不同时间切片共同构成的可观测宇宙。由于光速有限而宇宙又如此广阔，光子需要时间才能从遥远的天体到达地球。因此，我们看到的每一个天体的光芒都来自于过去不同的瞬间，它们将各自的历史编织在一起，呈现在我们眼前。遥远星系的光芒可能需要穿越数十亿年的时空才抵达地球，而近处的恒星则是我们更为“即时”的邻居。因而，夜空中的每一束光都是时间的信使，讲述着宇宙中不同天体的演化的故事。

（https://hubblesite.org/contents/media/videos/2019/17/1203-Video.html）

超大质量黑洞：宇宙中的巨兽

在这宏伟的时空交响曲中，活动星系核（AGN）是宇宙中持久活跃而又神秘的天体之一。它们由潜伏于星系中心的巨兽——超大质量黑洞——的强烈吸积活动所驱动。当周围的物质被超大质量黑洞吞噬时，释放出的引力能转化为极高功率的辐射，辐射强度甚至可以超过其所在星系中星光辐射的总和。这使得AGN，尤其是其中的高光度部分—类星体，成为较为容易观测到的最遥远（最古老）的天体，为我们探索宇宙的演化历史提供了独特的视角。

如何确立观测到的天体所处的宇宙年龄呢？天文学家会利用“宇宙学红移”这一关键参数。宇宙学红移是这样一种现象：由于宇宙的膨胀，我们接收到的天体光信号的波长相比发出时波长会变长。红移越大，意味着观测到的光子来自更遥远的、更久远的过去。通过拍摄天体的光谱来测量红移，研究者便可以结合宇宙学模型来确定该天体的距离，以及其发出光信号时所处的宇宙年龄。从这个角度讲，天文学家实际上可以比考古学家或古生物学家更为方便地确定研究目标的“年代”，从而追溯宇宙的过去。

超大质量黑洞的活跃顶峰

正如国家通过定期的人口普查来掌握社会人口结构的变迁，天文学家也通过对不同红移处的AGN进行普查，来了解AGN种群在不同时期宇宙中的状况，进而研究它们的演化历史。AGN的光度函数和黑洞质量函数——即有着不同光度或黑洞质量的AGN的数密度分布——是研究其演化的利器。在上世纪六十年代、类星体发现之初，研究者便基于当时获得的类星体数据注意到它们有显著的演化现象：红移较高的类星体远多于在近邻的类星体 [1] 。随着观测数据的不断积累，特别是随着大天区、不同波段AGN巡天的出现，天文学家已积累了海量的观测数据，从而得以对不同红移处的超大质量黑洞的种群进行深入研究。

根据光度函数的研究结果，类星体，即最明亮的AGN，在宇宙年龄20-30亿年（对应红移2-3，距今约100-110亿年）时，其数密度便已经达到了顶峰 [2,3] 。这一时期类星体的数密度是当前宇宙中类星体数密度约1500倍（见图2）！在同一时期，大质量星系恒星形成的活跃性也达到了顶峰。可以说，这一时期是宇宙历史上星系和其中心的超大质量黑洞最为活跃的时期，因此被形象地称之为“宇宙正午”（cosmic noon）。

图2. 类星体的共动体积数密度随宇宙年龄（红移）的演化。图中纵坐标显示的是不同红移处类星体相对于现在（红移0时）类星体数密度的比值。在计算类星体的体积数密度时，都已经归算到红移0时的共动体积，因此由于宇宙膨胀导致的效应已经消除。根据Richards et al. 2006, AJ, 131, 2766文章图20的类星体的光度函数数据绘制。

中低红移宇宙中的超大质量黑洞

以“宇宙正午”为分界，天文学家对AGN从这一时期向更低红移方向的演化已逐渐形成了较为清晰的认识。随着时间的推移，高光度AGN的数密度逐渐降低；在近邻宇宙中，活跃的超大质量黑洞主要为较低光度的AGN [4,5] （见图3）。特别是，对于黑洞质量较低的塞弗特（Seyfert）星系核（宿主星系很明显，且以盘星系为主）的普查表明：从质量函数的数密度来看，低质量的超大质量黑洞（质量小于10 6.5 倍太阳质量）在红移小于0.3的宇宙中已经是主导种群 [7-9] 。

图3. “宇宙正午”（红移z≈2.5）之后不同红移处的类星体（即超大质量黑洞的高质量端）光度函数的对比。可以清晰地看到高光度的类星体数密度随着时间逐渐降低（取自 Shen et al. 2020, MNRAS, 495, 3252图7）

这种演化趋势被形象地称之为“宇宙下行”（cosmic downsizing）。形象地说，相对于类星体这种质量巨兽的进入沉寂，小质量端的超大质量黑洞种群在近代宇宙中却生生不息，人丁兴旺。最近的研究结果甚至能分辨出：在近代宇宙（近30亿年来）的不同时间节点，宇宙中种群数目最多的，分别是不同质量量级的小质量黑洞（见图4）。这样的种群转换，就如同地球中生代的霸主——恐龙虽然灭绝，但是在随后的新生代，体型更小的哺乳动物却在进化的舞台上大放异彩。

图4. 低红移z≤0.53 的AGN数密度随黑洞质量和红移的变化。图中横轴代表宇宙年龄（红移），纵轴代表AGN的黑洞质量（对数坐标）。颜色梯度表示AGN的共动体积数密度。图中显示黑洞质量小于107倍太阳质量的AGN在红移z≈0.1处达到了数密度峰值（颜色最蓝）。图中宇宙正午时期的类星体数据取自Shen et al.2011,ApJS,194,45 (本图来源：Liu et al .2024, 已投稿)。

高红移宇宙中的超大质量黑洞：JWST带来的挑战

相比于低红移阶段，“宇宙正午”之前、特别是宇宙最初10亿年间的超大质量黑洞的演化仍是一片未被充分探明的知识洼地 [3,10] 。詹姆斯·韦伯望远镜（JWST）的成功发射，如同一缕曙光照亮了天文学家探索宇宙中星系和超大质量黑洞的形成与早期演化的道路。JWST向人类揭示了一个过于“早熟”的宇宙。研究者惊奇地发现，最晚在宇宙大爆炸后仅仅约3亿年（红移z≈14），星系便已经出现 [11] ；同时，他们也观测到了红移超过10（对应宇宙年龄4亿年）的AGN，这些AGN的质量达到百万倍、甚至接近亿倍于太阳质量 [12,13] （见图5）。这一发现引发了一个重要疑问：如此巨大的超大质量黑洞是如何在这么短的时间内形成的？

图5. GN-z11: JWST探测到的最遥远也是最古老的（z=10.6，大爆炸后4.3亿年）的超大质量黑洞，质量约为2x10 6 倍太阳质量。

（https://science.nasa.gov/missions/webb/webb-unlocks-secrets-of-one-of-the-most-distant-galaxies-ever-seen/）

“超大质量黑洞如何形成”一直是天文学中的悬而未决之谜。当前学界普遍认为，超大质量黑洞源自于宇宙早期形成的种子黑洞，这些小黑洞通过吸积或黑洞之间并合的方式逐渐壮大。然而，无论是通过吸积还是并合，这些过程均需要漫长的时间。如果起始的种子黑洞质量过小，那么4亿年的时间可能不足以使得其增长到如此庞大的规模。因此，研究者推测种子黑洞的初始质量可能比较大 [13] 。而这一问题也和另外一个问题息息相关：星系中心超大质量黑洞的质量下限究竟在哪里。在过去的二十多年中，研究者就已经在低红移宇宙中持续努力地搜寻低质量的超大质量黑洞。目前，最低质量的超大质量黑洞是距离我们约1400万光年的NGC4395，其质量很有可能低至1万倍太阳质量 [14] 。

自从1990年哈勃空间望远镜（HST）开始观测以来，天文学家在近邻宇宙中发现超大质量黑洞的质量与星系的性质（星系质量、恒星速度弥散）之间存在紧密的相关性，表明两者之间达到了某种平衡。然而，自近两年JWST投入使用以来，天文学家在时间的另一端（即宇宙早期）发现了许多相对于星系质量而言过重的超大质量黑洞，以及比例相对较高的个头较小的致密星系，这些在低红移宇宙中却不常见 [15] 。过去，研究者倾向于认为星系的质量增长应当先于其中心黑洞的增长，但新的观测证据迫使他们不得不重新思考星系和超大质量黑洞之间“先有鸡还是先有蛋”的问题：两者究竟谁先形成？还是同时形成？[16]

产生超大质量黑洞的显著演化的机制

超大质量黑洞为什么会有如此显著的宇宙学演化？其背后蕴含着超大质量黑洞与星系共同演化、甚至更大尺度气体循环的复杂机制[17,18] ，现在还不完全清楚。天文学家发现，类星体的质量增长率（即吸积率）和星系质量增长率（恒星形成率）的演化历史惊人地相似。对于这样的演化趋势，目前一种大致的理解是，无论是超大质量黑洞通过吸积气体实现快速增重，还是星系通过剧烈恒星形成快速增长，都需要足够的冷气体作为基础。宇宙正午时期以及之前，宇宙还没有膨胀到现在的规模，星系之间的距离远小于现在，星系拥挤且频繁并合，而丰富的冷气体为星系内部恒星形成以及超大质量黑洞的吸积提供了充足的气体供给。在宇宙正午之后，随着宇宙膨胀进展，星系之间并合作用的减少，而且冷气体被不断消耗，再加上恒星形成和黑洞吸积活动的反馈作用，导致了大质量星系的恒星形成活动以及高质量端超大质量黑洞（即类星体）的吸积活动急剧下降的“熄火”现象。

向于认为近代宇宙中AGN和恒星形成活动都已经变得乏味，星系和高质量端的超大质量黑洞都进入了消极演化的阶段，等待着油尽灯枯。但如图4所揭示，事实并非如此。重新审视这些简单的理论推理， 很容易就能发现其中“陷阱”之所在。宇宙中的恒星和星系，从宇宙早期演化到今天，其实只占了全部重子物质的7%；而如今星系中的冷气体，自从宇宙再电离以来虽然一直被加热、被消耗至今，在全部重子物质中仍占有2%的比例 [19] 。就以银河系为例，银盘加上核球的恒星总质量为5.7x10 10 倍太阳质量（其中核球成份为0.85x10 10 倍太阳质量）, 但原子氢冷气体的质量仍有1.1x10 10 倍太阳质量，比核球质量都大 [20] 。因此供给恒星形成的冷气体数量是绰绰有余的。更何况，星系中的和星系周边的热气体质量，多过了星系恒星总质量，若没有恒星形成和AGN活动的反馈加热，热气体很快就由于辐射冷却下去了。也就是说，基于冷气体数量粗略推理得到的对于星系、AGN近期演化的认知，实际上可能被思维惯性所窄化、所偏好，貌似最自然但却很有可能是错误的。理论演绎总是有限的，而不断开拓新参数空间的观测之树却长青。

写在结尾

如同地球生物演化史中物种的变迁、人类历史中文明的兴衰、王朝的更替，宇宙中大质量黑洞也有自己兴衰的乐章。类星体和大质量黑洞曾经辉煌的盛景早已封存在久远的过去，我们接收到的是光子跋涉百亿光年带来的信息。而我们如今所处的宇宙，从星系活动能量的角度看，似是少了百亿年前那种炫目的繁华，然而却在一个个不易察觉的隐秘角落（小质量星系、低质量端的超大质量黑洞）里生机勃勃、新意盎然。这就是探索宇宙的有趣之处——在我们有限的认知之外，总是存在着无限的未知。“心事浩茫连广宇，于无声处听惊雷”，我们作为宇宙的聆听者，不断地渴望着新的观测发现，让我们在宇宙的寂静中捕捉到宇宙震撼的旋律。

参考文献

[1]Schmidt, M. 1968, ApJ, 151, 393.

[2]Richards, G.~T., Strauss, M.~A., Fan, X., et al.2006, AJ, 131, 2766

[3]Fan, X., Bañados, E., & Simcoe, R.~A. 2023, ARAA, 61, 373.

[4]Hasinger, G., Miyaji, T., & Schmidt, M. 2005, A&A, 441, 417.

[5]Shen, X., Hopkins, P.~F., Faucher-Giguère, C.-A., et al. 2020, MNRAS, 495, 3252.

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[9]Cho, Hojin & Woo, Jong-Hak, 2024, ApJ, 969, 93

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[11]Carniani, S., Hainline, K., D'Eugenio, F., et al. 2024, Nature, 633, 318.

[12]Maiolino, R., Scholtz, J., Witstok, J., et al. 2024, Nature, 627, 59.

[13]Bogdán, Á., Goulding, A.~D., Natarajan, P., et al. 2024, Nature Astronomy, 8, 126

[14]Cho, H., Woo, J.-H., Treu, T., et al. 2021, ApJ, 921, 98.

[15]Adamo, A., Atek, H., Bagley, M.~B., et al. 2024, arXiv:2405.21054

[16]Silk, J., Begelman, M.~C., Norman, C., et al. 2024, ApJL, 961, L39.

[17]Fanidakis, N., Baugh, C.~M., Benson, A.~J., et al. 2012, MNRAS, 419, 2797.

[18]Hirschmann, M., Dolag, K., Saro, A., et al. 2014, MNRAS, 442, 2304.

[19]Nicastro, F., Kaastra, J., Krongold, Y., et al. 2018, Nature, 558, 406.

[20]Wang, J., Hammer, F., & Yang, Y. 2022, MNRAS, 510, 2242.

编辑：千里雁啼

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