宇宙早期大质量黑洞的诞生

宇宙早期大质量黑洞的诞生

从宇宙中第一个大质量黑洞周围释放出来的光是如此强烈，以至于它能够到达整个宇宙的望远镜。令人难以置信的是，来自最遥远的黑洞(或类星体)的光已经向我们传播了130多亿光年。然而，我们不知道这些巨型黑洞是如何形成的。由乔治亚理工学院、都柏林城市大学、密歇根州立大学、加州大学圣地亚哥分校、圣地亚哥超级计算机中心和IBM的研究人员领导的一项新研究，为解决这个宇宙之谜提供了一条新的、极有希望的途径。研究小组发现，当星系极其迅速地聚集在一起，有时甚至是剧烈地聚集在一起时，就会形成质量非常大的黑洞。在这些罕见的星系中，正常的恒星形成被打乱，黑洞形成取而代之。

新的研究发现，大质量黑洞是在快速增长的致密无星区域形成的，这推翻了长期以来人们接受的观点，即大质量黑洞的形成仅限于受到附近星系强大辐射轰击的区域。这项研究的结论发表在1月23日的《自然》杂志上，并得到了国家科学基金会、欧盟和美国宇航局的资助。确定的关键标准,巨大的黑洞在宇宙的形成阶段与前星系气体云崩塌的快速增长的前身所有今天的星系,这意味着大多数超大质量黑洞有共同的起源形成在这个新发现的场景中,约翰说智慧,在相对论天体物理学中心的副教授佐治亚理工学院和论文的通讯作者。暗物质坍缩成晕，晕是所有星系的引力粘合剂。这些光环的早期快速生长阻止了恒星的形成，这些恒星本可以与黑洞竞争进入该区域的气体物质。

怀斯说:“在这项研究中，我们发现了一种全新的机制，它能激发大质量黑洞的形成，特别是暗物质晕的形成。”“我们不应该只考虑辐射，我们需要看看光环的增长速度有多快。我们不需要那么多的物理学知识就能理解暗物质是如何分布的，引力会如何影响它。形成一个大质量黑洞需要在一个物质高度收敛的罕见区域。都柏林城市大学天体物理与相对论中心的研究员约翰·里甘说，当研究小组在模拟中发现这些黑洞的形成地点时，他们一开始被难住了。之前公认的理论是，大质量黑洞只能在附近受到高水平辐射的情况下形成。

他说:“以前的理论认为，只有当这些地点暴露在高水平的恒星形成致死辐射中时，这种情况才会发生。”“随着我们研究的深入，我们发现这些地方正在经历一段极其快速的增长时期。这是关键。快速聚集的猛烈和动荡的本质，以及星系诞生时星系基础的猛烈碰撞阻止了正常恒星的形成，反而为黑洞的形成创造了完美的条件。这项研究改变了以往的范式，开辟了一个全新的研究领域。加州大学圣地亚哥分校(UC San Diego)超级计算机中心(San Diego supersupercenter)主任、该研究的作者之一迈克尔诺曼(Michael Norman)说，早期的理论依赖于附近星系的强烈紫外线辐射，以抑制黑洞形成晕中的恒星的形成。他解释说:“虽然紫外线辐射仍然是一个因素，但我们的研究表明，它不是主要因素，至少在我们的模拟中不是。”

该研究基于Renaissance模拟套件，该套件是2011年至2014年间在Blue Waters超级计算机上创建的一个70兆兆字节的数据集，旨在帮助科学家了解宇宙早期是如何演化的。为了更多地了解大质量黑洞可能形成的特定区域，研究人员检查了模拟数据，发现了10个特定的暗物质晕，它们本应形成恒星，但只包含稠密的气体云。利用Stampede2超级计算机，他们以更高的分辨率重新模拟了其中两个日冕——每个日冕直径约2400光年——以了解大爆炸2.7亿年之后日冕内发生的事情的细节。怀斯说:“我们只是在宇宙中这些密度过高的区域看到了这些黑洞的形成。”“暗物质创造了大部分的引力，然后气体落入引力势，在那里它可以形成恒星或巨大的黑洞。”

文艺复兴时期的模拟是对由氢、氦和冷暗物质组成的原始气体的引力装配的早期阶段进行的最全面的模拟，这些气体导致了第一批恒星和星系的形成。他们使用一种被称为自适应网格细化的技术来放大形成恒星或黑洞的致密团块。此外，它们覆盖了早期宇宙中足够大的区域，足以形成数千个天体——如果你对稀有天体感兴趣，这是一个必要条件，就像这里的情况一样。“要达到这个结果，需要高分辨率、丰富的物理学和大量坍缩晕样本，”诺曼说。

对两个候选区域的模拟分辨率的提高使得科学家们能够看到湍流，以及黑洞前驱体开始凝结和旋转时气体和物质团块的流入。它们的增长率是惊人的。怀斯说:“天文学家观察到超大质量黑洞在8亿年的时间里增长到了10亿个太阳质量。”“要做到这一点，就需要该区域的质量高度收敛。”你会认为在星系形成的早期区域

研究的另一个方面是，产生黑洞的光环可能比之前认为的更为普遍。密歇根州立大学(Michigan State University)教授布莱恩·奥谢(Brian O’shea)说，“这项研究的一个令人兴奋的部分是发现，这些类型的晕虽然罕见，但可能已经足够常见了。”“我们预测这种情况将会发生，足以成为目前在宇宙早期和星系中观测到的质量最大的黑洞的起源。”

未来对这些模拟的工作将着眼于这些大质量黑洞形成星系的生命周期，研究第一个大质量黑洞的形成、生长和演化。“我们的下一个目标是探索这些奇异天体的进一步进化。今天的黑洞在哪里?我们能在局部宇宙或引力波中发现它们的证据吗?”里根问道。对于这些新的答案，研究团队——和其他人——可能会回到模拟中。

诺曼说:“文艺复兴时期的模拟实验非常丰富，可以利用已经计算过的数据进行其他发现。”“出于这个原因，我们在SDSC创建了一个公共档案，其中包括文艺复兴模拟实验室，其他人可以在这里研究自己的问题。”