超大质量黑洞的前身——由大型计算机模拟所揭示的新的形成机制学术资讯

来源：牧夫天文

在计算机模拟的气体云中诞生了超大质量黑洞的前身。科学家认为图中心附近的黑点所表示的超大质量恒星最终会进化成黑洞。白点表示较小的恒星，它们在气体云的快速分裂中形成。多数较小的恒星会与中心的超大质量恒星产生冲撞并发生合并，由此超大质量恒星得以高效成长。（图片来源：Sunmyon Chon）

科学家使用超级计算机进行研究，并由此提出了关于超大质量黑洞起源的新假说。在含有重元素的气体中诞生的小型恒星，它们相互撞击与合并的产物即为超大质量黑洞的前身。根据学界已有的理论，科学家们无法顺利解释数量众多的超大质量黑洞的起源问题，而这一模拟结果让科学家离超大质量黑洞的起源更近了一步。

超大质量黑洞大多存在于星系中心，其起源对科学家来说依然迷雾重重。学界已有的理论解释是，仅含氢、氦两种元素的气体云迅速收缩形成了黑洞。然而该理论仅能解释部分在早期宇宙中形成的超大质量黑洞的起源，却很难解释目前观测发现的超大质量黑洞数量为何多于预期这一问题。

在宇宙诞生一小段时间之后，碳、氧等由恒星内部核聚变所产生的重元素通过超新星爆发等形式分散至星际空间各处。含有重元素的气体云由此冷却、分裂，形成较小的恒星，但此前的理论认为这一过程无法产生能够成为超大质量黑洞前身的超大质量恒星。科学家需要使用大型计算机进行模拟来验证该假说，但均因当时的计算机性能不足而作罢。

这一难题被日本国立天文台的超级计算机“Aterui II”攻克了。东北大学的郑升明研究员与大向一行教授使用“Aterui II”，对含有重元素的气体云进行了三维高分辨率的长期演化模拟。与此前理论预测相同，气体云中心附近形成了大质量恒星，周围的气体快速分裂形成了较小的恒星。然而此后的模拟中，较小的恒星与气体一同向中心移动，与气体云中心的大质量恒星发生了冲撞、合并。由此，中心附近形成的大质量恒星得以高效成长，产生约一万倍太阳质量的超大质量恒星。研究者认为，这些超大质量恒星将继续演化进而形成超大质量黑洞。

上图为本次研究中所揭示的超大质量恒星的想象图。超大质量黑洞的前身即为这些超大质量恒星。（图片来源：日本国立天文台）

对于超大质量黑洞前身的形成，通过本次计算机模拟得出的理论更新了此前仅限于宇宙早期的理论。本次研究提出的新假说能够解释更多超大质量黑洞的起源，并拓展了说明超大质量黑洞的一般形成过程的理论的可能性。

该研究成果发表于英国皇家天文学会月报电子版2020年4月4日（5月刊），题为“Supermassive star formation via super competitive accretion in slightly metal-enriched clouds”，作者Chon和Omukai。

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