國家天文臺提出宇宙近紅外背景輻射超出或源於第一代黑洞

2020-12-05 中國科學院

中科院國家天文臺嶽斌、徐怡冬、陳學雷等研究人員與義大利比薩高等師範學校(SNS) Andrea Ferrara教授，以及義大利國家天體物理研究所(INAF/IASF-MI)的Ruben Salvaterra博士在近日的一項合作研究中提出：宇宙近紅外背景輻射(NIRB)的超出可能來源於宇宙中的第一代黑洞。這類黑洞通過直接坍縮的機制形成，是約為100萬倍太陽質量的中等質量黑洞。該工作的論文已在MNRAS（Infrared background signatures of the first black holes  Yue Bin; Ferrara Andrea; Salvaterra Ruben; Xu Yidong; Chen Xuelei，Monthly Notices of the Royal Astronomical Society，2013 MNRAS.tmp.1501Y）上發表，並得到了Science的主編推薦（Editor’s choice）。比薩高師和INAF的網頁上都對此進行了報導。

在紅移約10至30之間的時候，中等質量的黑洞可以通過一種被稱為「直接坍縮」的機制在未形成恆星的暗物質暈中產生。該工作指出，直接坍縮過程形成的黑洞，其電離輻射（少量高能X射線光子除外）被周圍的物質大量吸收，但這些被吸收的能量最終將以較低能量的光子形式逃逸，經紅移到今天成為近紅外背景輻射的一部分。

近年來，觀測到的近紅外背景的漲落功率譜與理論預言相比有明顯的超出，如何解釋這一超出一直困擾著天文學家。此前，人們曾認為這些超出來自第一代恆星，但模型計算表明，第一代恆星和高紅移星系的貢獻比觀測值低一到二個數量級。第一代黑洞模型可以給出與觀測相符的近紅外背景漲落功率譜，同時該工作還自然地預言近紅外背景輻射應該與宇宙X射線背景輻射相關。最近Cappelluti等人確實觀測到了近紅外輻射與X-射線背景之間相關，證實了這一理論預言。

理論計算的第一代黑洞對紅外背景輻射的角功率譜的貢獻及實測值，左圖為在波長3.6微米上的角功率譜，右圖為4.5微米波長處的角功率譜。

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