【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】 物理學(xué)院天文學(xué)系張華年團隊題為“Probing Dark Matter Halos of High-redshift Quasars via Wide-Field Clustering”的研究論文在《天體物理學(xué)雜志快報》(The Astrophysical Journal Letters，IF=11.1)發(fā)表。2023級本科生蒙皓為第一作者，張華年副教授為通訊作者，博士生葉廣平參與相關(guān)工作。該研究利用大規(guī)模的高紅移類星體樣本，通過成團性分析，測量了宇宙早期類星體的暗物質(zhì)暈質(zhì)量、活動周期等，為理解早期超大質(zhì)量黑洞與宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的協(xié)同演化提供了關(guān)鍵觀測限制。
 

　　我們的宇宙誕生于約138億年前的一次大爆炸。天文學(xué)家在宇宙年齡僅約7億至10億年時，就已發(fā)現(xiàn)了一批異常明亮的類星體。其核心是一個質(zhì)量為太陽數(shù)億倍乃至數(shù)百億倍的超大質(zhì)量黑洞。這個黑洞通過強大的引力不斷吞噬加熱周圍氣體，釋放出足以照亮整個星系的巨大光亮。然而，理論模型很難解釋：在如此短暫的宇宙早期，這些黑洞如何能迅速吸積長到如此龐大？同時，這些類星體并非孤立存在，它們居住在由暗物質(zhì)主導(dǎo)的引力勢阱(即暗物質(zhì)暈)中。暗物質(zhì)是一種無電磁相互作用的未知粒子，通過引力將氣體、星系、類星體等“捆綁”在一起，形成星系團乃至大尺度結(jié)構(gòu)。因此，類星體的空間分布反映了其宿主暗物質(zhì)暈性質(zhì)。這兩者之間如何協(xié)同演化，是當(dāng)今天文學(xué)重要的研究課題。
 

　　為攻克這些難題，研究團隊基于Legacy Survey、DESI、SDSS等巡天項目的觀測目錄，構(gòu)建了一個包含1,242顆光譜證認(rèn)類星體和827顆高可靠性測光候選體的聯(lián)合樣本，紅移覆蓋4.7~6.3(對應(yīng)宇宙年齡約8.7~12.6億年)。由于宇宙持續(xù)膨脹，遙遠(yuǎn)天體發(fā)出的光在傳播過程中波長被拉長，向紅端偏移。紅移(記為z)越大，表示天體距離我們越遠(yuǎn)，也意味著我們看到的它是宇宙更早期時的模樣。
 

　　團隊收集了兩種類型的類星體候選體：(1)光譜證認(rèn)類星體：通過分解來自DESI、SDSS觀測光譜中的特征發(fā)射線，確認(rèn)其類星體身份和精確紅移。(2)高可靠性測光候選體：僅通過多波段測光(即拍攝不同顏色濾光片下的亮度圖像)篩選。團隊采用隨機森林機器學(xué)習(xí)算法，基于Legacy Surveys DR9的光學(xué)數(shù)據(jù)和WISE衛(wèi)星的近紅外數(shù)據(jù)，從測光天體中挑選出最可能為高紅移類星體的目標(biāo)。為了驗證其可靠性，團隊又將這批候選體與DESI項目的獨立光譜數(shù)據(jù)比對，發(fā)現(xiàn)其在低紅移端純度高達96%，高紅移端也達到83%，證明機器學(xué)習(xí)方法篩選出的候選體非常可靠。類星體的空間分布如圖1上。
 

　　隨后，團隊運用成團性分析：計算這些類星體在空間中的兩點相關(guān)函數(shù)(圖1下)，即相較于完全隨機分布，它們在各個距離尺度上實際聚集的強弱程度。這一聚集程度用偏置參數(shù)(bias parameter)來量化。偏置參數(shù)可以通俗理解為“類星體作為暗物質(zhì)分布的示蹤劑，其聚集強度比暗物質(zhì)本身強了多少倍”。數(shù)值越大，表明類星體越是偏向于居住在質(zhì)量更大的暗物質(zhì)暈中。研究測得這些類星體的偏置參數(shù)大約為20-30，遠(yuǎn)超普通星系，表明早期類星體極度成團，必然棲息在極其巨大的暗物質(zhì)暈中。
 

　　通過將偏置參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型下的暗物質(zhì)暈質(zhì)量分布函數(shù)進行匹配，團隊推斷出這些類星體的宿主暗物質(zhì)暈典型質(zhì)量約為4×10¹²(四萬億)倍太陽質(zhì)量。更令人意外的是，這一質(zhì)量值在兩個不同的紅移區(qū)間內(nèi)高度一致，幾乎沒有變化。進一步與文獻中低紅移(更近鄰宇宙)類星體研究對比后，團隊發(fā)現(xiàn)，類星體的典型暗物質(zhì)暈質(zhì)量在整個近百億年的宇宙歷史中基本穩(wěn)定在10¹²~10¹³倍(萬億~十萬億)太陽質(zhì)量之間。這意味著，能夠有效供給氣體并驅(qū)動黑洞快速增長、產(chǎn)生高光度類星體的“最佳”暗物質(zhì)暈尺度，在宇宙演化的大部分時期并未發(fā)生大的改變。結(jié)果如圖2和表1。
 

　　研究還估算了類星體的活動周期(duty cycle)，即一個暗物質(zhì)暈在其生命周期中處于明亮類星體狀態(tài)的時間比例。結(jié)果顯示，紅移5.0和6.0附近的活動周期分別僅為1.1%和1.2%，對應(yīng)的類星體“點亮”持續(xù)時間約為1,200萬年和1,100萬年(宇宙年齡大概10億年)。這個極低的比值說明絕大多數(shù)時間里，這些暗物質(zhì)暈中心的超大質(zhì)量黑洞并不以光學(xué)明亮類星體的形式出現(xiàn)，而是處于被塵?；驓怏w云團遮擋、光學(xué)上不可見的吸積增長階段?；诨顒又芷诤秃诙促|(zhì)量增長模型，團隊進一步推算出其輻射效率僅為0.12%–0.13%，這一極低的效率也支持了“高度遮蔽吸積”的設(shè)想，即大部分引力能并未轉(zhuǎn)化為輻射，而是隨著物質(zhì)直接落入黑洞。結(jié)果如圖2和表1。
 

　　值得強調(diào)的是，該研究創(chuàng)新性地采用了包含測光候選體、廣天區(qū)的類星體樣本。通過系統(tǒng)性篩選、去除虛假源和觀測偏差，團隊證實了包含測光候選體的聯(lián)合樣本與獨立的光譜樣本分析所得結(jié)果在統(tǒng)計上的一致性，表明了測光候選體的高可靠性。這一方法顯著擴大了有效樣本量，并覆蓋了更廣闊的巡天面積(約14,000平方度)，有效抑制了宇宙方差對成團測量的影響，為未來更大樣本的高紅移類星體成團性研究提供了技術(shù)路徑。隨著薇拉·魯賓天文臺、歐幾里得空間望遠(yuǎn)鏡、羅曼太空望遠(yuǎn)鏡以及中國空間站望遠(yuǎn)鏡等大型設(shè)施陸續(xù)開始運行，天文學(xué)家將以前所未有的精度繪制遙遠(yuǎn)宇宙的三維地圖?；诔蓤F性分析的研究將幫助天文學(xué)家了解最早的黑洞是如何形成的，以及它們?nèi)绾卧谟钪媛L的歷史中塑造了星系的演化過程。
 

　　本研究受華中科技大學(xué)經(jīng)費，國家基金委，中國空間站望遠(yuǎn)鏡等經(jīng)費資助。該研究也是天文系依托物理學(xué)院“星系與宇宙學(xué)”本科生創(chuàng)新基地開展本科生科研訓(xùn)練成果。
 

　　引用：物理學(xué)院本科生在宇宙早期類星體與暗物質(zhì)暈協(xié)同演化研究獲進展-華中科技大學(xué)【引用時間：2026年10月12日】