近日，中國科學(xué)院上海天文臺早期宇宙與高紅移星系團組，對綠豌豆（Green Pea）中的活動星系核（active galactic nuclei）進(jìn)行系統(tǒng)性搜尋研究，并在近2200例綠豌豆星系樣本中發(fā)現(xiàn)59個含超大質(zhì)量黑洞（super-massive black hole）或中等質(zhì)量黑洞（intermediate-massive black hole）的候選源，為研究大質(zhì)量黑洞與矮星系聯(lián)合演化關(guān)系提供寶貴樣本，以及為早期超大質(zhì)量黑洞與寄主星系的聯(lián)合演化的研究帶來啟示。

該研究由中國科學(xué)院上海天文臺鄭振亞團隊主導(dǎo)，與中國科學(xué)院大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國科學(xué)院國家天文臺、北京大學(xué)等國內(nèi)多家研究單位的科研人員合作完成，相關(guān)成果于2024年8月1日在國內(nèi)期刊《中國科學(xué)：物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué)》英文版（SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy）上發(fā)表題為“Intermediate-mass black holes in Green pea galaxies (IMBH-GP) I: A candidate sample from LAMOST and SDSS”的研究論文，同期也發(fā)表美國亞利桑那州立大學(xué)James Rhoads教授的標(biāo)題為“Exploring the Mass Gap: Black Holes in Green Pea Galaxies”的點評文章。

過往研究發(fā)現(xiàn)星系中心的大質(zhì)量黑洞與宿主星系存在一個規(guī)度關(guān)系，即黑洞質(zhì)量與星系的恒星質(zhì)量及速度彌散之間的緊密的正相關(guān)關(guān)系，這個關(guān)系同時被視作中心黑洞與宿主星系存在聯(lián)合演化的證據(jù)^[1]。這個關(guān)系在近鄰宇宙的超大質(zhì)量黑洞樣本（黑洞質(zhì)量接近或大于100萬個太陽質(zhì)量）得到了很好的驗證，然而由于缺少低質(zhì)量端的星系樣本，在低質(zhì)量端無法得到很好的限制。而且，對于中等質(zhì)量黑洞（黑洞質(zhì)量處于大約1千到10萬個太陽質(zhì)量之間）的研究一直存在數(shù)量稀缺且難以觀測的挑戰(zhàn)^[2]。

綠豌豆星系通常是形態(tài)致密、質(zhì)量較小、貧金屬豐度、恒星形成活動活躍的低紅移星系。由于形態(tài)致密、發(fā)射線明亮、質(zhì)量較小的特點，綠豌豆星系中可能存在質(zhì)量較小，甚至是中等質(zhì)量的黑洞。然而，在此前的研究中，雖然有研究提到綠豌豆星系中黑洞活動的跡象，但是缺少對綠豌豆星系中黑洞的系統(tǒng)性搜尋和研究。此外，綠豌豆星系與高紅移恒星形成星系在一系列星系性質(zhì)上非常類似^[3]，所以通常被認(rèn)為是早期星系在近鄰宇宙中的類似體。研究其中的黑洞樣本有望為早期超大質(zhì)量黑洞與寄主星系的聯(lián)合演化的研究帶來啟示。

圖1. 光譜發(fā)射線輪廓擬合事例。對于每個源，上圖為連續(xù)譜擬合結(jié)果，下圖從左到右分別是光學(xué)gri三色偽彩圖、Hβ和[OIII]擬合結(jié)果和Hα擬合結(jié)果。

該研究基于LAMOST河外巡天項目的綠豌豆星系巡天所獲樣本，以及斯隆數(shù)字巡天項目的綠豌豆星系補充樣本，共近2200 例綠豌豆星系樣本。研究人員通過對光譜發(fā)射線輪廓進(jìn)行分析，結(jié)合 [SII] 和 [OIII]等窄發(fā)射線輪廓排除星系外流的影響，通過認(rèn)證寬Hα成分來確定黑洞的質(zhì)量和活動性（如圖1），最終認(rèn)證了59個具有大質(zhì)量黑洞的候選體。黑洞質(zhì)量范圍從大約5萬到3億個太陽質(zhì)量，其中36個候選體的黑洞質(zhì)量小于100萬個太陽質(zhì)量，包含一個大約5萬個太陽質(zhì)量的中等質(zhì)量候選體。研究還發(fā)現(xiàn)，這些星系系統(tǒng)性偏移近鄰宇宙的黑洞-星系恒星質(zhì)量關(guān)系，而與黑洞-星系核球質(zhì)量關(guān)系更一致，雖然彌散較大（如圖2）。

圖2. 黑洞質(zhì)量-星系恒星質(zhì)量關(guān)系圖。圓點代表該研究的黑洞候選樣本。

論文通訊作者、上海天文臺研究員鄭振亞表示：“這項研究不僅為中等質(zhì)量黑洞的搜尋提供了新的樣本，而且對于理解低質(zhì)量星系中的黑洞活動和星系演化具有重要意義。這些發(fā)現(xiàn)表明，綠豌豆星系可能是研究早期宇宙中黑洞和星系共同演化的理想實驗室?！泵绹鴣喞Ｄ侵萘⒋髮W(xué)James Rhoads教授對該研究工作給予高度評價：“未來，探索這些近鄰綠豌豆星系中的黑洞樣本是否能為我們提供與詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）在高紅移觀測樣本中發(fā)現(xiàn)的新型活動星系核（little red dots）種群的參照，將是極具吸引力的研究課題?！?/p>

論文第一作者、上海天文臺博士研究生林如秋表示，為了進(jìn)一步驗證這些候選星系中的黑洞活動，他們團隊計劃進(jìn)行多波段后續(xù)觀測，包括X射線和無線電波段的觀測?！斑@些觀測將有助于更準(zhǔn)確地確定黑洞的質(zhì)量和吸積率，從而深化我們對黑洞與星系共同演化過程的理解。”論文通訊作者、上海天文臺研究員鄭振亞補充道。

本項目得到了國家科技部重點研發(fā)專項、國家自然科學(xué)基金委、中智天文合作項目、中國空間站項目和LAMOST二期觀測項目等項目的支持。

研究論文鏈接：https://doi.org/10.1007/s11433-024-2412-3

點評論文鏈接：https://doi.org/10.1007/s11433-024-2443-6

參考文獻(xiàn)：

[1] Kormendy, John and Ho, Luis C. “Coevolution (Or Not) of Supermassive Black Holes and Host Galaxies”. ARA&A, 51, 511 (2013).?

[2] Greene, Jenny E., Strader, Jay, and Ho, Luis C. “Intermediate-Mass Black Holes”. ARA&A, 58, 257 (2020).

[3] Izotov, Y. I., Guseva, N. G., Fricke, K. J., Henkel, C., Schaerer, D., and Thuan, T. X. “Low-redshift compact star-forming galaxies as analogues of high-redshift star-forming galaxies”. A&A, 646, A138 (2021).

科學(xué)聯(lián)系人：

林如秋，linruqiu@shao.ac.cn

鄭振亞，zhengzy@shao.ac.cn