X射線深場中的1000個黑洞

錢德拉X射線天文台花費幾乎12周的時間凝視著一片小天區，揭示出了1008個X射線源，其中大多數都是特大質量黑洞。

天文學家在美國天文學會冬季會議上揭秘了迄今獲取的最「深入」的X射線圖像：對一片尺度大致相當於滿月2/3的天區進行的700萬秒曝光。這些數據是由NASA的錢德拉X射線天文台在1999年到2016年間的102次指向觀測期間獲取的。圖中的大多數光點都是數十億光年之外星系中央的特大質量黑洞。

NASA的錢德拉X射線天文台在超過17年的時間裡積累了700餘萬秒的觀測數據，獲取了這張迄今曝光程度最深的X射線影像。圖片提供：NASA / CXC / Penn State Univ. / B. Luo et al.

來自賓夕法尼亞州立大學的尼爾·布拉特（Neil Brandt）在1月5日獲得羅西獎期間介紹了這張圖片以及背後產生的科學成果。羅西獎是表彰高能天文學突出貢獻的年度大獎。

這張圖像又名錢德拉南深空區，其中展示了1008個離散源，每個源都在發射能量介於500到8000電子伏特（0.5-8 keV）之間的X射線輻射。這是一張深度不可思議的影像，對於圖中探測到的最暗輻射源而言，錢德拉每10天才能捕獲從中發射的一個X射線光子！

由於錢德拉可以辨認出單個的入射光子，這不僅僅只是一張圖像，還提供了每個源的光變曲線和能譜。下面這張時間延遲動畫是由400萬秒的觀測數據生成的，每個閃爍的光點都是一個特大質量黑洞，而靜止不懂的光點主要是存在X射線恆星的寧靜星系。這一天區位於南天的天爐座，寬約20角秒。

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多架望遠鏡，如哈勃、斯皮策、赫歇爾等空間望遠鏡，以及凱克和甚大望遠鏡等地基望遠鏡都觀測過同一天區，因此我們可以了解幾乎每個X射線源在其他波段的對應體，包括紅外、射電和可見光。（舉例來說，視場更狹窄、曝光更深的哈勃極深場就對應上圖的中央。）幾乎每個源也都得到了紅移的測量，因此距離是已知的。

不僅僅是漂亮圖片

因此這些閃爍的聖誕彩燈告訴了我們什麼東西？它們給出的正是特大質量黑洞誕生與成長的線索。

為了了解由來自賓夕法尼亞州立大學和義大利博洛尼亞（Bologna）大學的法比奧·維托（Fabio Vito）及其同事進行的這項獨特的研究，你首先要知道，雖然錢德拉拍攝了1000多個發射X射線的輻射源，但哈勃和其他望遠鏡在同一視場中看到了數以萬計的星系。這其中的大多數星系並不能發出足夠的X射線，並被錢德拉探測到。但它們可能確實會具備非常暗淡的X射線輻射，就算不是來自中央黑洞的，也會來自星系中的恆星。

維托與同事所做的，就是在錢德拉南深空區中找到了2000多個沒有X射線探測的遙遠星系（對應的宇宙年齡不足18億年）。然後他們將切出的星系疊加在了一起，將其合并成一張X射線影像，由此獲得的靈敏度與30多年的曝光相同，以此來勾勒出早期宇宙一個星系的平均X射線輻射。

維托說：「我們在回溯黑洞處於關鍵成長期的時光，此時它們相當於飢餓的嬰兒和少年。」

維托與同事看到的平均星系充斥著產星活動，而非黑洞的成長。這意味著黑洞的一生並不都是在生長的，有時它們看上去要經歷長久的寧靜期，之間穿插著突增的過程。

哈勃極深場計劃在紫外波段拍下的一點點遙遠星系。圖片提供：NASA / ESA / S. Beckwith (STScI) / HUDF Team

我們已經知道，質量相當於太陽10億倍的黑洞在大爆炸後區區10億年就已經出現了。理論上很難讓如此龐大的黑洞如此迅速地成長起來。因此如果它們不是從誕生一刻開始就持續增長的，它們一開始可能就根本不是恆星質量的天體。特大質量黑洞的種子更有可能本身已經很龐大了，質量相當於太陽的1到10萬倍。這些重子可能是在早期宇宙中由大質量雲團直接坍縮形成的。

黑洞與星系的聯結

在AAS會議上展示的另一項結果是，為了了解黑洞的演化，我們還有很長的路要走。我們已經知道，特大質量黑洞生長的速率看上去與宿主星系的產星速率相同。但是黑洞和星系成長之間的關聯仍舊捉摸不定。（實際上，在2月號的《天空與望遠鏡》雜誌中，我們就此話題專門撰寫了一篇文章。）

現在來自賓夕法尼亞州立大學楊光的與同事稱，這樣的生長聯結看上去是個次級效應。相反，黑洞的生長率看上去與恆星總質量而非新生恆星的數量關聯更密。換句話說，質量更大的星系看上去餵養中央黑洞的效率更高，雖然其中的原理仍存在爭議。

至少就現在而言，這是眾多仍舊有待回答的謎題之一。但天文學家只是剛剛開始潛入錢德拉南深空區的深處而已。