早期宇宙如何形成大质量黑洞的谜团,似乎逐渐拨云见日。来自乔治亚理工学院、都柏林城市大学等机构组成的科学团队,发现一种促进早期宇宙大质量黑洞形成的全新机制:星系外围无星区的暗物质晕(dark matter halo)。
一个超大质量黑洞如何在资源匮乏的早期宇宙中形成?过去观点普遍认为,超大质量黑洞由星系强烈的辐射点燃,然而一般黑洞需等一颗巨大恒星耗尽所有燃料、爆炸成超新星后才有机会成形,遑论超大质量黑洞要花更长时间吸收更多质量。然而早期宇宙都还在蹒跚学步,哪来那么多恒星喂养黑洞?又如何在大爆炸后仅几亿年时间就形成超大质量黑洞?
2017 年底,天文学家发现了迄今为止最古老的超大质量黑洞,位于类星体 ULAS J1342 + 0928 中心,距离地球约 131 亿光年,质量高达太阳质量 8 亿倍;换句话说,它在大爆炸后不到 6.9 亿年时间吃了 8 亿颗太阳。
当时的团队表明,一定还有个未知机制参与其中,否则无法为这个超大质量黑洞的存在正名。
现在,来自乔治亚理工学院(Georgia Tech)、都柏林城市大学、密歇根州立大学、加州大学圣地牙哥分校、圣地牙哥超级电脑中心(SDSC)的科学团队,找到了一个促使早期宇宙超大质量黑洞形成的全新机制!虽然不确定此机制与彼未知机制是否为同一个,有待天文学家后续商榷。
▲ 早期宇宙超大质量黑洞形成的全新机制模拟示意影片。
新研究指出,当星系快速且暴力聚集时,外围的恒星形成过程反而被打乱,由黑洞取而代之迅速增长。那么这过程的作用机制为何?研究通讯作者、乔治亚理工学院天体物理学家 John Wise 解释,首先依赖星系形成时的大量气体云。
研究团队利用 Blue Waters 超级电脑(注)于 2011~2014 年期间收集的 70TB 数据进行模拟,发现有 10 个暗物质晕(环绕在星系外围)区域应该形成恒星,但实际上那里完全没有星星,仅包含稠密气体云。为此,团队再利用 Stampede2 超级电脑分析其中 2 个暗物质晕,用更高的分辨率探讨内部细节。
惊人的是,研究人员在这气体稠密的无星区看见了黑洞形成,而不是从附近星系高辐射区域看见。暗物质是宇宙中看不见的关键成分,在这种新机制中,它跟着迅速成长、阻止恒星形成,John Wise 表示,同时暗物质也会产生重力,当大量气体受重力吸引落入,便转而形成巨大黑洞。
研究团队预测,这种全新机制将成为未来观测到超大质量黑洞的起源,无论时间点是早期宇宙还是今日;此外,研究也告诉我们,整个宇宙中的黑洞数量将比我们以前认知的还要多。新论文发表在《自然》期刊。
注:Blue Waters是一台 PetaFLOPS 级别的超级电脑名称。
- These are the first massive black holes from the early universe
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(首图来源:乔治亚理工学院)
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