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主譯：遠(yuǎn)山真理

校對：星野旅人Yeoman

審核：牧夫天文校對組

美編：余家勁

后臺：李子琦

原文鏈接：https://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/news/16553/

研究成果概要

近日，由日本國立天文臺、東京大學(xué)、清華大學(xué)等機(jī)構(gòu)研究人員組成的國際聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，在鯨魚座方向上距今108億年前的宇宙深處發(fā)現(xiàn)了11個聚團(tuán)的活躍超大質(zhì)量黑洞。這是人類首次在早期宇宙觀測到如此密集活躍的超大質(zhì)量黑洞集群。通過結(jié)合昴星團(tuán)望遠(yuǎn)鏡的廣域巡天數(shù)據(jù)（HSC-SSP）與斯隆數(shù)字化巡天（SDSS）數(shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)這些黑洞可能正處于宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的生長邊界上。這一發(fā)現(xiàn)對理解早期宇宙中星系團(tuán)等結(jié)構(gòu)形成過程中超大質(zhì)量黑洞在何處、以何種方式成長起來的傳統(tǒng)認(rèn)知提出了全新挑戰(zhàn)。

圖1：本研究發(fā)現(xiàn)的活躍超大質(zhì)量黑洞（即“類星體”）集群。

這些類星體位于鯨魚座方向，背景展示了昴星團(tuán)望遠(yuǎn)鏡超廣域主焦點(diǎn)相機(jī)（HSC）拍攝的圖像。紅色陰影表示類星體密度分布，藍(lán)色陰影顯示周邊發(fā)現(xiàn)的幾百個星系密度分布。白色方框標(biāo)記了類星體的位置，而放大框則展示各目標(biāo)特寫。（圖片來源：日本國立天文臺/SDSS；Liang et al.）

超大質(zhì)量黑洞的超級集群

當(dāng)超大質(zhì)量黑洞通過劇烈吞噬周圍氣體和其它物質(zhì)釋放巨大能量時，它們就會如同宇宙燈塔般閃耀，而這類活躍的黑洞通常被稱為"類星體"。盡管類星體活動在早期宇宙中更為旺盛，他們的分布實(shí)際上依然十分稀疏，彼此間隔一般都在數(shù)億光年以上。但由日本國立天文臺的梁永明博士領(lǐng)導(dǎo)的國際團(tuán)隊(duì)，發(fā)現(xiàn)了在一個僅4000萬光年范圍內(nèi)的區(qū)域內(nèi)，聚集了11個類星體的極端緊湊結(jié)構(gòu)。梁博士指出，"類星體如此高密度聚集的現(xiàn)象前所未見，如果這次發(fā)現(xiàn)只是個巧合的話，作為一個17σ的異常密度值其概率將低于10的64次方分之一。簡單說就是基本排除了偶然因素，意味著它們的集中觸發(fā)應(yīng)該有潛在的物理成因。"（圖2）

圖2：本研究所發(fā)現(xiàn)的類星體集群（橙色柱狀表示）與其他類似大小的區(qū)域（黑點(diǎn)）的類星體數(shù)量對比。對比數(shù)據(jù)來自覆蓋全天區(qū)四分之一的史上最大巡天項(xiàng)目——斯隆數(shù)字化巡天（SDSS）。藍(lán)色虛線及周邊色帶表示SDSS觀測范圍內(nèi)類星體數(shù)量的平均值及其1σ標(biāo)準(zhǔn)方差范圍。黑點(diǎn)的橫坐標(biāo)沒有具體意義，隨機(jī)位置僅為了可視化展示。該結(jié)構(gòu)是目前宇宙中已知類星體分布最密集的記錄保持者。（圖片來源：SDSS; Liang et al.）

昴星團(tuán)望遠(yuǎn)鏡揭示的星系分布之謎

盡管這一特殊的類星體集群最初是通過SDSS數(shù)據(jù)被發(fā)現(xiàn)的，研究團(tuán)隊(duì)為深入了解其特點(diǎn)，又利用了昴星團(tuán)望遠(yuǎn)鏡超廣域主焦點(diǎn)相機(jī)（Hyper Suprime-Cam, HSC）展開追蹤觀測。HSC兼具1.5億光年范圍的超廣視場與8.2米級望遠(yuǎn)鏡獨(dú)有的高靈敏度，成功檢測到了類星體集群周圍存在的數(shù)百個年輕星系（圖1）。

傳統(tǒng)理論認(rèn)為，超大質(zhì)量黑洞通常會活躍于星系密集的區(qū)域。就像擁擠人群中穿梭的行人之間會摩肩接踵一樣，在這類密集環(huán)境中，星系也會更頻繁地發(fā)生相互作用，包括相互吸引、碰撞乃至并合。在這些過程中星系中的氣體與物質(zhì)會逐漸損失角動量而旋進(jìn)星系中心，從而促進(jìn)星系中央的黑洞成長并蛻變?yōu)槊髁恋念愋求w。

然而這一次昴星團(tuán)望遠(yuǎn)鏡的觀測卻呈現(xiàn)了意外的結(jié)果：這些類星體并沒有處于主要的星系團(tuán)內(nèi)部，而是處于距離她們約2500萬光年的外圍區(qū)域。這一發(fā)現(xiàn)迫使天文學(xué)家重新思考超大質(zhì)量黑洞"在何處"以及"如何"成長的基本問題。

梁博士強(qiáng)調(diào)，"如果沒有昴星團(tuán)望遠(yuǎn)鏡的超高觀測能力，我們可能就沒法注意到這個類星體集群與周圍星系分布存在偏移的有趣現(xiàn)象了。"

氣體分布加深謎團(tuán)

為進(jìn)一步探究這一特殊結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊(duì)嘗試重建了星系間氣體的三維分布圖（注1）。有趣的是，結(jié)果顯示這些類星體既不處于中性氣體最稠密區(qū)，也并不位于氣體最稀疏區(qū)，而是恰好位于中性氣體與電離氣體的交界帶（圖3）。

該結(jié)構(gòu)可能對應(yīng)著宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的過渡區(qū)域——例如有可能是兩個正在形成的星系團(tuán)之間，沿宇宙纖維狀結(jié)構(gòu)相互牽引的邊界。也許此次發(fā)現(xiàn)的類星體超級集群并不是一個成熟的結(jié)構(gòu)，反而是展現(xiàn)了黑洞、星系與星系際氣體共同演化的過渡階段。其空間排布也許預(yù)示了一個正在進(jìn)行的動態(tài)環(huán)境，它同時受到了大尺度結(jié)構(gòu)形成影響與類星體活動反饋的雙重塑造。

受啟發(fā)于地球上的喜馬拉雅山脈隆起在界限分明的青藏高原與印度大平原之間，而這次發(fā)現(xiàn)的極端密集的類星體集群又恰好位于宇宙結(jié)構(gòu)的邊界，研究團(tuán)隊(duì)于是將這個獨(dú)特的大尺度結(jié)構(gòu)命名為"宇宙喜馬拉雅山脈" (Cosmic Himalayas)。

圖3："宇宙喜馬拉雅"——塑造宇宙圖景的高能類星體超級集群。黃色"×"標(biāo)記類星體位置，黑色等高線顯示星系密度分布。背景色階表示中性氫氣體密度（紅色越深密度越高，藍(lán)色越深密度越低，也即代表電離氣體反而越豐富）。可見左側(cè)星系團(tuán)富含中性氣體，而右側(cè)星系團(tuán)周圍以電離氣體為主。灰色部分為因恒星數(shù)目過少圖像拼接質(zhì)量不佳或受亮星光污染而在分析中被移除區(qū)域。底部配圖為命名靈感來源——喜馬拉雅山脈的衛(wèi)星影像。（圖片來源：日本國立天文臺/SDSS Liang et al.；底圖? Google, Image Landsat/Copernicus）

梁博士對此解釋道："我們發(fā)現(xiàn)類星體沿著宇宙狀態(tài)變化的'邊緣'聚集，這既可能表明類星體的強(qiáng)大輻射光正在活躍地改變其周圍氣體的電離狀態(tài)，同時也讓我們擁有了可以追蹤一個可能正在孕育的巨型結(jié)構(gòu)的機(jī)會，比如見證星系團(tuán)的正在形成的雛形。因其宛如山脈一般矗立于不同宇宙結(jié)構(gòu)的交界處，故以'宇宙喜馬拉雅山脈'對其進(jìn)行了命名。"

該研究團(tuán)隊(duì)的一員，國立天文臺/東京大學(xué)的大內(nèi)正己教授表示："如此活躍的超大質(zhì)量黑洞集群的存在已屬驚人，其星系與氣體分布更顛覆常規(guī)宇宙認(rèn)知。這或許是全宇宙中的一個特殊區(qū)位，亦或是黑洞集體活躍的瞬時奇觀。無論哪種情況，其科學(xué)意義都將在后續(xù)研究中逐步被揭示。"

研究總結(jié)

◆在鯨魚座方向約108億年前的宇宙中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了11個超大質(zhì)量黑洞同時閃耀的罕見結(jié)構(gòu)
◆這是世界首次發(fā)現(xiàn)如此高密度的超大質(zhì)量黑洞集群
◆這一發(fā)現(xiàn)將重塑關(guān)于早期宇宙中星系團(tuán)與黑洞形成的現(xiàn)有理論

未來展望

本研究通過大規(guī)模巡天觀測與昴星團(tuán)望遠(yuǎn)鏡高靈敏度數(shù)據(jù)的結(jié)合，為破解宇宙重大謎題提供了新范式。未來借助昴星團(tuán)望遠(yuǎn)鏡超廣域多天體光譜儀（Prime Focus Spectrograph, PFS）等設(shè)備的觀測，有望進(jìn)一步揭示此次發(fā)現(xiàn)所展現(xiàn)的宇宙奧秘。

注釋與術(shù)語說明

（注1）星系際氣體的三維分布測繪：研究團(tuán)隊(duì)利用SDSS數(shù)據(jù)，通過測量更遙遠(yuǎn)類星體光線被目標(biāo)區(qū)域星系際氣體吸收的特征，實(shí)現(xiàn)了氣體三維分布的可視化。這種宇宙尺度的"斷層成像法"，就像是用手電筒照射霧氣般呈現(xiàn)出了氣體的空間分布形態(tài)。

論文原作者信息：

梁永明博士，2017年本科畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)天文學(xué)系，2022年于日本國立天文臺（NAOJ）/綜合研究大學(xué)院大學(xué)（SOKENDAI）獲得天文學(xué)博士學(xué)位，之后分別在東京大學(xué)的宇宙線研究所（ICRR, University of Tokyo）和日本國立天文臺夏威夷觀測所（Subaru Telescope, NAOJ）任特任研究員，是日本Subaru望遠(yuǎn)鏡主導(dǎo)的超主焦點(diǎn)相機(jī)策略巡天HSC-SSP和主焦點(diǎn)光譜儀PFS合作組成員，共同領(lǐng)導(dǎo)了MAMMOTH-Subaru等國際合作研究。主要研究方向?yàn)橥ㄟ^包括光學(xué)、紅外望遠(yuǎn)鏡在內(nèi)的觀測數(shù)據(jù)，研究高紅移星系的形成與演化、以及這些過程對宇宙學(xué)大尺度結(jié)構(gòu)和其中的星系際介質(zhì)的依賴與反饋。

責(zé)任編輯：甘林

牧夫新媒體編輯部

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哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的類星體3C 273核心區(qū)域圖像。

圖源：NASA, ESA, Bin Ren (Université C?te d’Azur/CNRS); Acknowledgment: John Bahcall (IAS); Image Processing: Joseph DePasquale (STScI)

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