超大质量黑洞的计算机模拟图像。（图片来源：美国国家航空航天局、欧洲航天局和D.Coe、J.Anderson和R.van der Marel（STScI））
（神秘的地球）据美国生活科学网站（Fan Zou, W. Niel Brandt）：黑洞是一种引人注目的天体，其引力如此之强，以至于任何东西，甚至光，都无法逃脱。最巨大的黑洞被称为“超大质量”黑洞，其质量可达太阳的数百万至数十亿倍。
这些巨人通常生活在星系的中心。我们自己的银河系在其中心也包含一个超大质量黑洞。
那么，这些超大质量黑洞是如何变成超大质量的呢？为了回答这个问题，我们的天体物理学家团队回顾了宇宙138亿年的历史，以追踪超大质量黑洞从早期到今天是如何增长的。
我们构建了一个过去120亿年超大质量黑洞整体增长历史的模型。
超大质量黑洞是如何生长的？
超大质量黑洞主要以两种方式生长。它们可以在一个称为吸积的过程中消耗宿主星系的气体，当两个星系碰撞时，它们也可以相互融合。
当超大质量黑洞消耗气体时，它们几乎总是发射出强烈的X射线，这是一种肉眼看不见的高能光。你可能听说过牙医的X光片，有时会用来检查你的牙齿。天文学家使用的X射线通常比医用X射线的能量低。
那么，任何光，甚至是看不见的X射线，怎么能从黑洞中逃逸呢？严格来说，光不是来自黑洞本身，而是来自黑洞外的气体。当气体被拉向黑洞时，它会加热并发光，就像X射线一样。超大质量黑洞消耗的气体越多，它产生的X射线就越多。
一位艺术家对超大质量黑洞吸积的插图。中心黑洞是黑色的，而其周围的气体会加热并发光。（图片来源：/NASA/JPL加州理工学院）
得益于20多年来从有史以来发射到太空的三个最强大的X射线设施——钱德拉、XMM-Newton和eROSITA——积累的数据，天文学家可以从宇宙中大量吸积的超大质量黑洞中捕获X射线。
这些数据使我们的研究团队能够估算超大质量黑洞通过消耗气体而增长的速度。平均而言，超大质量黑洞每年可以消耗足够的气体，其质量大约相当于太阳的质量，确切的值取决于各种因素。
例如，数据显示，黑洞在数百万年内的平均增长率与其宿主星系中所有恒星的质量密切相关。
超大质量黑洞多久合并一次？
除了以气体为食外，超大质量黑洞还可以在星系碰撞时通过相互融合形成一个更大质量的黑洞来生长。
超级计算机宇宙学模拟可以预测这些事件发生的频率。这些模拟旨在模拟宇宙如何随着时间的推移而增长和演化。无数在太空中飞行的星系有点像砖块，构成了宇宙。
这些模拟表明，星系和它们所在的超大质量黑洞可以在宇宙历史的跨度内经历多次合并。
我们的团队使用X射线和超级计算机模拟追踪了这两个增长通道——气体消耗和合并，然后将它们结合起来构建了这一总体增长历史，描绘了数十亿年来宇宙中黑洞的增长。
我们的增长历史表明，数十亿年前，当宇宙更年轻时，超大质量黑洞的增长速度要快得多。
早在早期，宇宙中就含有更多的气体供超大质量黑洞消耗，超大质量黑洞不断出现。随着宇宙的老化，气体逐渐耗尽，超大质量黑洞的生长速度减慢。大约80亿年前，超大质量黑洞的数量趋于稳定。自那以后，它没有大幅增加。
两个超大质量黑洞合并的图示。（图片来源：/Scott Noble（美国国家航空航天局GSFC））
当没有足够的气体可供超大质量黑洞通过吸积生长时，它们变大的唯一方法就是合并。在我们的成长史上，我们没有看到太多这样的案例。平均而言，质量最大的黑洞可以以每几十年相当于太阳质量的速度从合并中积累质量。
期待
这项研究帮助我们了解了黑洞中90%以上的质量是如何在过去120亿年中积累的。
然而，我们仍然需要研究它们在早期宇宙中是如何生长的，以解释黑洞中剩余的几个质量百分比。天文界开始在探索这些早期超大质量黑洞方面取得进展，我们希望很快能找到更多的答案。
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