近日，中国科学院上海天文台早期宇宙与高红移星系团组，对绿豌豆（Green Pea）中的活动星系核（active galactic nuclei）进行系统性搜寻研究，并在近2200例绿豌豆星系样本中发现59个含超大质量黑洞（super-massive black hole）或中等质量黑洞（intermediate-massive black hole）的候选源，为研究大质量黑洞与矮星系联合演化关系提供宝贵样本，以及为早期超大质量黑洞与寄主星系的联合演化的研究带来启示。

该研究由中国科学院上海天文台郑振亚团队主导，与中国科学院大学、中国科学技术大学、中国科学院国家天文台、北京大学等国内多家研究单位的科研人员合作完成，相关成果于2024年8月1日在国内期刊《中国科学：物理学 力学 天文学》英文版（SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy）上发表题为“Intermediate-mass black holes in Green pea galaxies (IMBH-GP) I: A candidate sample from LAMOST and SDSS”的研究论文，同期也发表美国亚利桑那州立大学James Rhoads教授的标题为“Exploring the Mass Gap: Black Holes in Green Pea Galaxies”的点评文章。

过往研究发现星系中心的大质量黑洞与宿主星系存在一个规度关系，即黑洞质量与星系的恒星质量及速度弥散之间的紧密的正相关关系，这个关系同时被视作中心黑洞与宿主星系存在联合演化的证据^[1]。这个关系在近邻宇宙的超大质量黑洞样本（黑洞质量接近或大于100万个太阳质量）得到了很好的验证，然而由于缺少低质量端的星系样本，在低质量端无法得到很好的限制。而且，对于中等质量黑洞（黑洞质量处于大约1千到10万个太阳质量之间）的研究一直存在数量稀缺且难以观测的挑战^[2]。

绿豌豆星系通常是形态致密、质量较小、贫金属丰度、恒星形成活动活跃的低红移星系。由于形态致密、发射线明亮、质量较小的特点，绿豌豆星系中可能存在质量较小，甚至是中等质量的黑洞。然而，在此前的研究中，虽然有研究提到绿豌豆星系中黑洞活动的迹象，但是缺少对绿豌豆星系中黑洞的系统性搜寻和研究。此外，绿豌豆星系与高红移恒星形成星系在一系列星系性质上非常类似^[3]，所以通常被认为是早期星系在近邻宇宙中的类似体。研究其中的黑洞样本有望为早期超大质量黑洞与寄主星系的联合演化的研究带来启示。

图1. 光谱发射线轮廓拟合事例。对于每个源，上图为连续谱拟合结果，下图从左到右分别是光学gri三色伪彩图、Hβ和[OIII]拟合结果和Hα拟合结果。

该研究基于LAMOST河外巡天项目的绿豌豆星系巡天所获样本，以及斯隆数字巡天项目的绿豌豆星系补充样本，共近2200 例绿豌豆星系样本。研究人员通过对光谱发射线轮廓进行分析，结合 [SII] 和 [OIII]等窄发射线轮廓排除星系外流的影响，通过认证宽Hα成分来确定黑洞的质量和活动性（如图1），最终认证了59个具有大质量黑洞的候选体。黑洞质量范围从大约5万到3亿个太阳质量，其中36个候选体的黑洞质量小于100万个太阳质量，包含一个大约5万个太阳质量的中等质量候选体。研究还发现，这些星系系统性偏移近邻宇宙的黑洞-星系恒星质量关系，而与黑洞-星系核球质量关系更一致，虽然弥散较大（如图2）。

图2. 黑洞质量-星系恒星质量关系图。圆点代表该研究的黑洞候选样本。

论文通讯作者、上海天文台研究员郑振亚表示：“这项研究不仅为中等质量黑洞的搜寻提供了新的样本，而且对于理解低质量星系中的黑洞活动和星系演化具有重要意义。这些发现表明，绿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实验室。”美国亚利桑那州立大学James Rhoads教授对该研究工作给予高度评价：“未来，探索这些近邻绿豌豆星系中的黑洞样本是否能为我们提供与詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）在高红移观测样本中发现的新型活动星系核（little red dots）种群的参照，将是极具吸引力的研究课题。”

论文第一作者、上海天文台博士研究生林如秋表示，为了进一步验证这些候选星系中的黑洞活动，他们团队计划进行多波段后续观测，包括X射线和无线电波段的观测。“这些观测将有助于更准确地确定黑洞的质量和吸积率，从而深化我们对黑洞与星系共同演化过程的理解。”论文通讯作者、上海天文台研究员郑振亚补充道。

本项目得到了国家科技部重点研发专项、国家自然科学基金委、中智天文合作项目、中国空间站项目和LAMOST二期观测项目等项目的支持。

研究论文链接：https://doi.org/10.1007/s11433-024-2412-3

点评论文链接：https://doi.org/10.1007/s11433-024-2443-6

参考文献：

[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).

科学联系人：

林如秋，linruqiu@shao.ac.cn

郑振亚，zhengzy@shao.ac.cn