近日，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)早期宇宙與高紅移星系團(tuán)組，對(duì)綠豌豆（Green Pea）中的活動(dòng)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(gè)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(lái)啟示。

該研究由中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)鄭振亞團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)，與中國(guó)科學(xué)院大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)、北京大學(xué)等國(guó)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(guó)內(nèi)期刊《中國(guó)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(guó)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(diǎn)評(píng)文章。

過(guò)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(gè)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(gè)關(guān)系同時(shí)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(gè)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(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量）得到了很好的驗(yàn)證，然而由于缺少低質(zhì)量端的星系樣本，在低質(zhì)量端無(wú)法得到很好的限制。而且，對(duì)于中等質(zhì)量黑洞（黑洞質(zhì)量處于大約1千到10萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量之間）的研究一直存在數(shù)量稀缺且難以觀測(cè)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(dòng)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(diǎn)，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(dòng)的跡象，但是缺少對(duì)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(lái)啟示。

圖1. 光譜發(fā)射線輪廓擬合事例。對(duì)于每個(gè)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(xiàng)目的綠豌豆星系巡天所獲樣本，以及斯隆數(shù)字巡天項(xiàng)目的綠豌豆星系補(bǔ)充樣本，共近2200 例綠豌豆星系樣本。研究人員通過(guò)對(duì)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(guò)認(rèn)證寬Hα成分來(lái)確定黑洞的質(zhì)量和活動(dòng)性（如圖1），最終認(rèn)證了59個(gè)具有大質(zhì)量黑洞的候選體。黑洞質(zhì)量范圍從大約5萬(wàn)到3億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，其中36個(gè)候選體的黑洞質(zhì)量小于100萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，包含一個(gè)大約5萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)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(diǎn)代表該研究的黑洞候選樣本。

論文通訊作者、上海天文臺(tái)研究員鄭振亞表示：“這項(xiàng)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(duì)于理解低質(zhì)量星系中的黑洞活動(dòng)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(shí)驗(yàn)室?！泵绹?guó)亞利桑那州立大學(xué)James Rhoads教授對(duì)該研究工作給予高度評(píng)價(jià)：“未來(lái)，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(cè)樣本中發(fā)現(xiàn)的新型活動(dòng)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(tái)博士研究生林如秋表示，為了進(jìn)一步驗(yàn)證這些候選星系中的黑洞活動(dòng)，他們團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)行多波段后續(xù)觀測(cè)，包括X射線和無(wú)線電波段的觀測(cè)?！斑@些觀測(cè)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(duì)黑洞與星系共同演化過(guò)程的理解?！闭撐耐ㄓ嵶髡?、上海天文臺(tái)研究員鄭振亞補(bǔ)充道。

本項(xiàng)目得到了國(guó)家科技部重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中智天文合作項(xiàng)目、中國(guó)空間站項(xiàng)目和LAMOST二期觀測(cè)項(xiàng)目等項(xiàng)目的支持。

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

點(diǎn)評(píng)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