一个国际天文学家团队发现了强有力的证据，表明环绕超大质量黑洞的物质在宇宙历史中并非一成不变。研究结果表明，这些物质的结构和行为可能在数十亿年间发生了改变。
这项由雅典国家天文台的研究人员领导的研究发表在《皇家天文学会月刊》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）上。如果得到证实，其结果将挑战一个指导了近50年研究的天文学基础观念。
类星体为何如此明亮
类星体于20世纪60年代首次被识别，是已知最明亮的天体之一。它们之所以如此耀眼，是因为其能量源自超大质量黑洞对周围物质的吞噬。当这些物质在巨大引力作用下螺旋向内时，会形成一个旋转的盘状结构，然后坠入黑洞。
盘内的摩擦将物质加热到极高的温度。因此，它发出的光可以比一个由约1000亿颗恒星组成的整个星系还要亮100到1000倍。这种压倒性的亮度使类星体能够盖过其宿主星系的光芒，并让望远镜能够在浩瀚的宇宙距离上观测到它们。
从紫外光到强大的X射线
黑洞周围发光的吸积盘会产生大量的紫外光。科学家认为，这种光在产生类星体发射的、能量更高的X射线方面起着关键作用。当紫外线向外传播时，会经过一个非常靠近黑洞、被称为“冕”的区域，那里充满了高能粒子云。
当紫外光与这些粒子相互作用时，会获得能量并转化为强烈的X射线辐射。这些X射线随后可以被太空观测站探测到。
一个长期存在的宇宙关系受到质疑
由于这两种光都起源于同一个黑洞附近，天文学家早就知道类星体的紫外线和X射线发射密切相关。通常，更亮的紫外光伴随着更强的X射线输出。这种大约五十年前确定的关系，为超大质量黑洞附近的物理条件提供了关键线索。
这项新研究挑战了这种关联具有普遍性的假设。该假设认为，黑洞周围物质的结构在宇宙的任何地方和任何时间本质上都是相同的。
相反，研究人员发现，当宇宙更年轻时（大约是现在年龄的一半），紫外光和X射线之间的关系与天文学家在今天附近的类星体中看到的情况明显不同。这表明，在过去大约65亿年里，吸积盘和冕的相互作用方式发生了变化。
该研究的作者之一安东尼斯·乔治卡基斯博士表示：“确认X射线与紫外线的关系随宇宙时间而非普遍存在，这相当令人惊讶，并挑战了我们对超大质量黑洞如何增长和辐射的理解。”
“我们使用不同的方法测试了结果，但它似乎持续存在。”
研究人员如何做出这一发现
为了得出结论，该团队结合了eROSITA X射线望远镜的新X射线观测数据，以及欧洲空间局的XMM-牛顿X射线天文台的档案数据。这些数据集共同使科学家能够分析一个异常庞大的类星体样本的X射线和紫外线发射。
事实证明，eROSITA提供的广阔而一致的天空覆盖范围尤其重要。它使团队能够以前所未有的规模研究类星体群体。
为何这些发现对宇宙学很重要
类星体中紫外线和X射线关系具有普遍性的观点，是一些将类星体用作“标准烛光”来绘制宇宙形状以及研究暗物质和暗能量的方法的基础。新的结果表明科学家需要谨慎，因为关于黑洞环境在宇宙时间内不变的假设可能并不成立。
领导这项研究的雅典国家天文台博士后研究员玛丽亚·奇拉表示：“这里的关键进展是方法论上的。”
“eROSITA巡天范围广阔但相对较浅——许多类星体仅用几个X射线光子就被探测到。通过在一个稳健的贝叶斯统计框架中整合这些数据，我们能够揭示原本会被隐藏的微妙趋势。”
下一步是什么
即将进行的eROSITA全天扫描将使天文学家能够观测到更暗、更遥远的类星体。通过将这些未来的观测与下一代X射线和多波段巡天相结合，研究人员希望确定观察到的变化是反映了真实的物理演化，还是受到了数据收集方式的影响。
这些努力有望更深入地了解超大质量黑洞如何为宇宙中最明亮的天体提供能量，以及它们的行为在宇宙时间中发生了怎样的转变。
