宇宙中第一個(gè)超大質(zhì)量黑洞的誕生故事正在被重新思考。研究人員普遍認(rèn)為，這些具有開拓性的龐然大物種子是在鄰近星系紫外線輻射泛濫區(qū)域發(fā)芽的。這種輻射抑制了正常恒星的形成，釋放出物質(zhì)最終融入黑洞，這一想法得以實(shí)現(xiàn)。但一項(xiàng)新的研究表明，另一種現(xiàn)象可能在抑制這類恒星的形成方面更為重要——暗物質(zhì)的“光暈”快速增長。暗物質(zhì)是構(gòu)成宇宙大部分物質(zhì)的神秘物質(zhì)(之所以如此命名，是因?yàn)樗炔晃展饩€，也不反射光線)。該研究的第一作者、喬治亞理工學(xué)院相對論天體物理學(xué)中心的副教授約翰懷斯(John Wise)在一份聲明中說：

博科園-科學(xué)科普：在這項(xiàng)研究中，我們發(fā)現(xiàn)了一種全新的機(jī)制，它能激發(fā)大質(zhì)量黑洞的形成，尤其是暗物質(zhì)暈的形成。不應(yīng)該只考慮輻射，而應(yīng)該考慮光暈的生長速度，不需要那么多的物理學(xué)知識(shí)來理解它——僅僅是暗物質(zhì)是如何分布的，以及引力將如何影響它。形成一個(gè)大質(zhì)量黑洞需要在一個(gè)物質(zhì)高度聚集的罕見區(qū)域。研究人員在分析了超級計(jì)算機(jī)對早期宇宙演化的模擬后得出了這個(gè)結(jié)論。這些模擬揭示了10個(gè)只包含氣體云的暗物質(zhì)暈，盡管它們的質(zhì)量如此之大，本應(yīng)成為恒星的搖籃。研究人員隨后對其中兩個(gè)光暈進(jìn)行了額外的模擬，每個(gè)光環(huán)大約有2400光年寬，以便更詳細(xì)地了解宇宙誕生后2.7億年可能發(fā)生了什么。

• 超級計(jì)算機(jī)模擬中，一個(gè)3萬光年寬的區(qū)域集中在一群年輕星系上，這些星系在加熱周圍氣體時(shí)產(chǎn)生輻射(白色)和金屬(綠色)。在這個(gè)受熱區(qū)域外的暗物質(zhì)暈形成了三顆超大質(zhì)量恒星(插圖)，每顆恒星質(zhì)量都是太陽的1000倍以上。這些巨大的恒星迅速坍縮成巨大的黑洞，經(jīng)過數(shù)十億年，最終形成超大質(zhì)量黑洞。圖片：Advanced Visualization Lab, National Center for Supercomputing Applications

研究人員只是在宇宙中這些密度過高的區(qū)域看到了這些黑洞形成。暗物質(zhì)創(chuàng)造了大部分的引力，然后氣體落入引力勢，在那里它可以形成恒星或巨大的黑洞。研究人員發(fā)現(xiàn)，在光環(huán)膨脹的地方，黑洞更受青睞，它們自身的增長是由構(gòu)成新生星系的氣體云的合并所推動(dòng)。該研究的合著者、愛爾蘭都柏林城市大學(xué)天體物理學(xué)和相對論中心的研究員約翰·里甘在同一份聲明中說：這是關(guān)鍵，快速聚集的猛烈和活動(dòng)的本質(zhì)，以及星系誕生時(shí)星系基礎(chǔ)的猛烈碰撞，阻止了正常恒星的形成，反而為黑洞形成創(chuàng)造了完美的條件。新的研究表明，這些條件只會(huì)導(dǎo)致少數(shù)超大質(zhì)量恒星的形成，而不是大量較小的“正常”恒星形成。

• 一個(gè)放大內(nèi)部30光年的暗物質(zhì)暈，旋轉(zhuǎn)的氣體盤分散成三個(gè)團(tuán)塊，在它們自身的重力作用下坍塌，形成超大質(zhì)量恒星。圖片：John Wise

超大質(zhì)量恒星活得快，死得早，很快就坍縮成黑洞——不像類太陽恒星，它們活了數(shù)十億年，最終成為致密的恒星尸體，被稱為白矮星。其中一些新生黑洞在億萬年后成長為超大質(zhì)量的龐然大物。研究小組認(rèn)為，在整個(gè)宇宙的歷史中，快速增長的暗物質(zhì)暈可能已經(jīng)足夠普遍，具有相當(dāng)大的解釋力。密歇根州立大學(xué)(Michigan State University)的計(jì)算和理論天體物理學(xué)家，該研究的合著者布萊恩·奧謝(Brian O’shea)在同一份聲明中說：我們預(yù)測這種情況會(huì)發(fā)生，足以成為目前在宇宙早期和星系中觀測到質(zhì)量最大的黑洞起源，這項(xiàng)新研究于2019年1月23日發(fā)表在《自然》上。

博科園-科學(xué)科普｜參考期刊文獻(xiàn):《自然》

文：Mike Wall/Space

DOI: 10.1038/s41586-019-0873-4

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