揭示超大质量黑洞（Supermassive Black Hole, SMBH）与宿主星系在宇宙早期阶段的协同增长过程，以及二者质量关系随红移的演化规律，是当前天体物理学中的重要前沿课题之一。近年来，特别是在詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）投入运行后，结合此前大规模类星体巡天及对高红移星系的后续观测研究，人们逐渐发现：在红移 z>3 甚至 z>6 的宇宙早期阶段，许多星系中的黑洞质量相对于其恒星质量显著偏高，偏离了本地宇宙中的黑洞星系质量关系。这一发现不仅对超大质量黑洞如何在宇宙早期实现快速增长提出了新的约束，也为理解黑洞与宿主星系之间的协同演化机制带来了新的挑战。围绕这一问题，浙江大学天文学系吴子泳博士与岑人岳教授联合普林斯顿大学Romain Teyssier教授，利用高分辨率的宇宙学流体力学模拟，系统研究了黑洞与宿主星系质量比随红移的演化规律。相关成果以题为《Redshift Evolution of the Ratio of Supermassive Black Hole Mass to Stellar Mass》的论文，已被国际权威天文学期刊 The Astrophysical Journal（ApJ）正式接收。
研究发现，在宇宙早期阶段，超大质量黑洞与宿主星系的增长并不同步：黑洞能够持续高效吸积并快速增长，而宿主星系中的恒星形成则更容易受到反馈过程抑制。因此，黑洞质量的增长速度在早期超过了宿主星系恒星质量的积累速度，使黑洞相对于宿主星系表现出显著偏高的质量占比。这一机制自然再现了JWST观测所揭示的高红移“过质量黑洞”现象。
进一步分析表明，黑洞与宿主星系的协同演化经历了四个典型阶段：从种子黑洞形成与早期恒星暴发，到黑洞快速增长阶段，再到活动星系核（AGN）反馈主导的自我调节阶段，以及后期通过恒星团块形成与并合驱动宿主星系持续增长。基于这一演化图景，研究团队进一步构建了黑洞增长的解析模型，将暗物质晕组装历史与观测约束的黑洞吸积活动相结合，成功连接了高红移阶段普遍存在的“过质量黑洞”现象与低红移宇宙中紧致的黑洞—星系质量关系。模型结果不仅再现了模拟中的黑洞—星系协同演化过程，也能够同时解释不同红移观测下超大质量黑洞与宿主星系质量关系的整体演化趋势。
模型预测表明，黑洞质量与恒星质量之比在红移 z～7–10 时达到峰值，可从几个百分点增长至约30%。随后，随着恒星持续形成以及黑洞吸积活动逐渐减弱，该比例稳步下降，并最终在低红移阶段趋近于本地观测所揭示的黑洞—星系质量关系。该结果表明，高红移宇宙中普遍存在的“过质量黑洞”并不一定需要特殊形成机制，而可能是黑洞与宿主星系协同演化过程中的一个自然阶段。这一研究为理解早期宇宙中超大质量黑洞的形成与增长路径提供了统一框架，同时也为未来 JWST 及后续深场巡天观测提供了可直接检验的理论预言。
该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、空间科学先导专项以及浙江大学科研基金的支持。相关模拟计算工作在浙江大学“SilkRiver”超级计算平台上完成。
图一: 数值模拟中黑洞与宿主星系协同演化的关键物理量随红移的演化 (a) 黑洞质量与宿主星系恒星质量关系。图中同时展示了数值模拟结果、观测数据及经验标度关系。高红移宽线活动星系核（AGN），包括所谓“little red dots”（LRDs），与模拟结果共同显示出相对于本地宇宙关系的显著偏离趋势。本地不同类型星系的经验关系作为参考基准。不同颜色曲线表示不同物理反馈模型下黑洞与星系的协同演化轨迹(b) 黑洞质量增长轨迹，并与在爱丁顿极限增长假设下、不同初始种子质量所对应的理论增长预期进行对比（c）宿主星系恒星质量增长（d）黑洞爱丁顿比随时间演化（e）星系恒星形成率演化
图二: AGN占空比及其红移演化。黑线表示本研究模型中的占空比函数，灰色阴影表示由观测标定及向z>6外推带来的不确定性范围。不同颜色数据点为基于观测推导的不同恒星质量星系的占空比估计，并给出 1σ不确定度。不同颜色曲线表示在不同反馈模型下由数值模拟直接得到的占空比演化结果。
图三: 恒星形成历史（上图）及 AGN + 动能超新星反馈模拟结果的演化快照。红色竖线标示四个关键时刻，对应黑洞与宿主星系协同演化的不同阶段。中间面板展示8kpc尺度下的投影气体密度及速度流线；底部面板为宿主星系中心区域的恒星密度分布放大图。虚线框标示放大区域，并通过连线对应各面板位置。不同快照采用不同放大尺度（见标注），用于突出中心结构的演化过程，并展示晚期阶段外部恒星团块的形成。红色圆圈分别标示所对应的范围。
图四: 解析模型的整体框架及黑洞—星系协同演化的红移依赖。
（上）模型整体示意。暗物质晕并合历史来自 IllustrisTNG（灰色阴影），本研究模拟得到的晕质量演化以黑色实线表示，并在 z=0 达到Mhalo=10^12M⊙。基于 TNG 标定的恒星—晕质量关系（SMHM relation）得到的解析恒星质量增长以红色阴影表示，其不确定性来自观测系统误差及不同超新星反馈模型的差异。各反馈模拟中的恒星质量演化以不同颜色点划线表示，同时加入观测得到的恒星质量估计作为对比。基于占空比模型得到的黑洞质量增长以黑色实线表示，深蓝色阴影表示占空比归一化传播的不确定性。黑洞并合贡献以黑色点划线表示，模拟中的黑洞质量以不同颜色点划线给出。
（下）黑洞与恒星质量比的演化。不同反馈模型的结果以彩色虚线表示，解析模型的预测以黑色虚线表示。灰色阴影表示由黑洞与恒星质量不确定性传播得到的1σ区域。该比值在红移 z~7–10 达到峰值，随后向低红移下降约两个数量级。模型进一步预测，该比值在 z=(1,2,3,5) 时分别为 z=0 的约 (1.5, 3.0, 8.0, 35.5) 倍。
