高红移星系中超大质量黑洞的快速增长机制：第三星族Ⅰ型星的遗迹与AGN反馈作用

《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》：On the rapid growth of SMBHs in high-z galaxies: the aftermath of Population III.1 stars

本研究通过高分辨率宇宙学模拟，探讨了在再电离时代超大质量黑洞（SMBH）与宿主矮星系的协同演化。研究人员系统性地构建了包含热反馈、动能反馈和辐射反馈等多种活动星系核（AGN）物理过程的模型，发现即便存在AGN反馈，黑洞种子仍能高效增长至107 M⊙以上，并驱动速度超过2500 km s-1的星系尺度外流。该研究为JWST观测到的中光度类星体中“超重”黑洞的起源提供了理论支持，揭示了AGN辐射反馈在调节黑洞增长与星系演化中的关键作用。

　　

在宇宙的早期，当第一批星系刚刚开始形成时，就已经存在质量巨大的黑洞。近年来，詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）的观测发现，在红移z>6的宇宙中，就已经存在质量高达10⁸-10⁹ M_⊙的超大质量黑洞。这些宇宙早期的巨无霸向现有的天体物理理论提出了严峻挑战：它们是如何在宇宙年龄还不足10亿年的时候，就增长到如此巨大的质量？

更令人困惑的是，这些早期黑洞与它们所在的宿主星系之间的关系，似乎与我们熟悉的本地宇宙中的情况截然不同。在今天的宇宙中，黑洞质量与星系核球质量之间存在紧密的相关性。然而JWST的观测数据显示，在高红移星系中，黑洞相对于其宿主星系的恒星质量显得异常“超重”，它们的质量比可能高达0.01-1，比本地宇宙中的对应关系高出1-2个数量级。这种偏离是否意味着早期黑洞的增长机制与后期有所不同？活动星系核反馈在这一过程中扮演着怎样的角色？这些问题的答案对于理解宇宙早期结构的形成至关重要。

为了解开这些谜团，Mahsa Sanati领导的研究团队在《皇家天文学会月报》上发表了一项突破性研究。他们通过一系列高分辨率的宇宙学放大模拟，追踪了10⁵ M_⊙黑洞种子与其宿主矮星系从红移z≈15到z=8的协同演化过程。这些模拟首次自洽地模拟了第三星族Ⅰ型（Pop III.1）恒星的前身星及其电离反馈，为研究超大质量黑洞的各种形成场景提供了理想平台。

研究团队采用了一套渐进式的物理模型，从无AGN反馈的基准模型开始，逐步增加了热反馈、动能反馈和辐射反馈等组件，并探索了低功率和高功率两种AGN活动模式。特别值得一提的是，这些模拟达到了14秒差距的空间分辨率，使得研究人员能够以前所未有的细节研究AGN驱动的外流及其与宿主环境的相互作用。

研究主要采用了基于RAMSES代码的宇宙学辐射磁流体动力学模拟框架，整合了自适应网格细化、辐射传输（采用M1闭合方法）、理想磁流体动力学（包含约束传输方法）以及黑洞形成与生长模型。关键技术创新包括：自洽模拟Pop III.1恒星形成与前反馈、实现14秒差距高分辨率、采用双模式（类星体模式与射电模式）AGN反馈机制、结合多频段辐射传输精确模拟电离反馈、以及允许黑洞在网格中自由运动而不进行人为固定。样本来源于通过MUSIC代码生成的zoom-in初始条件，针对一个在z=8时晕质量约10¹⁰ M_⊙的矮星系进行高分辨率追踪。

AGN反馈在黑洞-星系协同演化中的作用

研究发现，在所有模型中，黑洞种子都能高效增长，在红移z=8时达到约10⁷ M_⊙的质量。即使存在AGN反馈，黑洞的增长似乎也未受到明显阻碍。不同反馈模型导致的黑洞增长历史存在显著差异，其中包含辐射反馈的模型表现最为独特。当吸积率超过爱丁顿极限时，会驱动快速且富含物质的外流（速度超过2500 km s^-1，延伸至约50千秒差距），并对宿主星系中的恒星形成产生轻微抑制。

反馈驱动的超爱丁顿与亚爱丁顿吸积循环

黑洞增长遵循着“高吸积-强反馈-低吸积”的循环模式，而非持续的高吸积率。在自洽的反馈调节模型中，黑洞主要在以接近爱丁顿极限的速率下增长，仅有一小部分质量是通过超爱丁顿吸积增长的，最大超爱丁顿比率达到λ_Edd～86。这种循环模式凸显了AGN反馈在维持适度吸积率和防止黑洞失控增长中的重要作用。

黑洞相对于宿主星系的偏移对其演化的影响

模拟允许黑洞在网格中自由运动，而不被人为固定在星系中心。研究发现，不同反馈模型对黑洞的相对位移有重要影响。在无AGN反馈或仅有低效热反馈的模型中，黑洞可以保持在距离星系中心约1秒差距的极近位置。而在反馈调节的模型中，黑洞通常保持在距离中心几百秒差距的位置。黑洞质量增长与其接近星系中心的程度在其演化过程中相互关联，较重的黑洞因动力摩擦更强而更易保持在中心区域。

AGN驱动的星系尺度外流

研究显示，AGN辐射反馈在启动高速星系外流中起着关键作用。在ThermKinRad模型中，超爱丁顿吸积事件驱动了强烈的外流，延伸至约50千秒差距，最大径向速度超过2500 km s^-1。辐射反馈通过加热和稀化周围气体，创造低密度通道，使动能风更容易逃逸。与超新星反馈相比，这些外流的速度更高，且与黑洞吸积率的峰值密切相关，表明它们主要是由AGN驱动而非恒星反馈。

并合对黑洞增长的影响

研究还发现，黑洞宿主星系与卫星星系之间的并合事件是触发高效吸积的重要机制。并合过程中，气体被压缩，导致恒星形成率和黑洞吸积率同时显著提升。在ThermKinRad模型中，并合后的黑洞吸积率峰值达到1.5 M_⊙ yr^-1，远高于其他模型。并合不仅为黑洞增长提供气体供应，还通过改变引力势和扰动黑洞动力学间接影响吸积过程。

黑洞-宿主星系标度关系

模拟得到的黑洞质量与恒星质量关系与高红移JWST观测结果高度一致，显示早期黑洞相对于其宿主星系确实“超重”。所有反馈调节模型在红移z～12到8之间都显示，黑洞质量相对于其宿主星系的恒星质量显著偏高，与本地宇宙的标度关系存在明显偏离。黑洞质量与恒星速度弥散、动力学质量的关系也呈现出类似趋势，进一步验证了模拟结果与观测的一致性。

这项研究系统性地揭示了高红移宇宙中超大质量黑洞与宿主星系的协同演化规律。研究结果表明，即便存在AGN反馈，黑洞种子仍能通过自洽调节的吸积过程高效增长，支持了JWST观测到的中光度类星体中“超重”黑洞的形成 scenario。AGN辐射反馈在启动高速星系外流中扮演着关键角色，而并合事件则是触发高效吸积的重要机制。

该研究的创新之处在于首次自洽地模拟了Pop III.1恒星的前身星及其反馈，实现了高空间分辨率下多种AGN反馈组件的综合建模，并允许黑洞自由运动而不施加人为约束。这些模拟为理解早期宇宙中黑洞与星系的共同增长提供了全新视角，揭示了AGN反馈在调节黑洞增长与星系演化中的复杂作用。

未来研究将进一步纳入宇宙线、磁场和尘埃物理等更多物理过程，以更全面地理解AGN反馈、黑洞增长与星系演化之间的复杂相互作用。这些工作将有助于构建更加完整的宇宙结构形成理论框架，解释宇宙最早一批超大质量黑洞的起源之谜。