在整個(gè)宇宙歷史上，大多數(shù)星系的形成和成長都是由超大質(zhì)量黑洞和宿主星系一起成長所推動，這些黑洞收集物質(zhì)以達(dá)到數(shù)百萬太陽質(zhì)量。追蹤這些極端天體的早期階段是未來強(qiáng)大望遠(yuǎn)鏡的任務(wù)之一。由埃斯帕科天體物理學(xué)研究所(IA)研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)研究提出了一項(xiàng)新的全面估計(jì)。

研究預(yù)測，在宇宙還不到當(dāng)前年齡的7%的時(shí)候，在其核心存在著活躍超大質(zhì)量黑洞非常年輕的星系應(yīng)該是存在的，而且這些星系在未來x射線和射電望遠(yuǎn)鏡的觀測范圍之內(nèi)。

其研究發(fā)表在英國《皇家天文學(xué)會月刊》上，并于本周在SPARCS IX會議上發(fā)表，會上討論了未來平方公里陣列(SKA)射電望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)和技術(shù)。這些結(jié)果可能為SKA和ESA雅典娜x射線空間天文臺提供最有效的觀測計(jì)劃。這兩個(gè)觀測站將被用來深入觀察本研究探索的宇宙歷史同一時(shí)期。論文的第一作者、IA和Ciencias da Universidade de Lisboa (FCUL)的Stergios Amarantidis說：由于要等到雅典娜和斯卡進(jìn)入科學(xué)領(lǐng)域還有很長一段時(shí)間，現(xiàn)在是時(shí)候把他們的目標(biāo)調(diào)整到最好的水平了。

例如，雅典娜過去的一份白皮書提到，超大質(zhì)量黑洞的預(yù)測比我們發(fā)現(xiàn)的要少一個(gè)數(shù)量級。將利用調(diào)查結(jié)果為未來的調(diào)查制定初步計(jì)劃，研究結(jié)果現(xiàn)在可以用來改進(jìn)這一策略，并準(zhǔn)備更有效的調(diào)查。作者通過增加對射電和x射線觀測的預(yù)測，以及對更遙遠(yuǎn)的宇宙預(yù)測，擴(kuò)展了前人在可見光和x射線光譜部分所做的工作。在這種情況下，x射線是由非常熱的物質(zhì)在落入黑洞時(shí)以極快的速度螺旋運(yùn)動而產(chǎn)生，而信號星系的中心正對著地球。

另一方面，射電輻射則是經(jīng)常從側(cè)面觀測到的信號星系，它是由從黑洞附近噴射出的強(qiáng)大粒子射流產(chǎn)生，這些粒子與星系外的氣體相互作用。研究人員利用其他團(tuán)隊(duì)開發(fā)的8個(gè)計(jì)算模型，并運(yùn)用目前有關(guān)星系演化的知識，預(yù)測雅典娜將能夠在一個(gè)滿月大小的天空區(qū)域，觀測到宇宙早期非常年輕的星系核心，約2500個(gè)超大質(zhì)量黑洞的x射線活動。研究結(jié)果表明，在這些早期階段，射電輻射將不那么豐富，但像SKA這樣強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡仍然能夠在天空的同一區(qū)域識別出數(shù)十個(gè)這樣的輻射源。

計(jì)算模型是通過對附近宇宙中星系演化環(huán)境的觀察而發(fā)展和微調(diào)的。這項(xiàng)研究證明，這些模型的局限性之一是，它們無法預(yù)測已知存在于遙遠(yuǎn)時(shí)代為數(shù)不多的、高度發(fā)光的活動星系中心。為了克服這一限制，正確理解第一個(gè)星系和超大質(zhì)量黑洞是如何出現(xiàn)和演化的，增加模擬規(guī)模和計(jì)算資源是必要的。

這項(xiàng)研究證明了目前最先進(jìn)的星系形成模型的預(yù)測能力，并將指導(dǎo)我們更好地利用正在建造的強(qiáng)大望遠(yuǎn)鏡，與此同時(shí)，這也表明我們對第一批活躍星系的理解仍需改進(jìn)，這將需要我們在未來幾年的所有觀測努力，早期宇宙在很大程度上仍然難以解釋。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來自: Instituto de Astrofísica e Ciências do Espa?o

參考期刊文獻(xiàn):《皇家天文學(xué)會月刊》

DOI: 10.1093/mnras/stz551

博科園-傳遞宇宙科學(xué)之美