早期宇宙中大质量黑洞诞生首次曝光

在名为“文艺复兴”模拟实验（Renaissance Simulation）中一个横跨30000光年的宇宙区域的中心存在一簇年轻的星系群，它在加热周围气体的同时还会产生辐射（白色）和金属物质（绿色）。

从宇宙中第一批大质量黑洞周围发射出来的光是如此强烈，以至于它能够穿越整个宇宙进入人类的望远镜中。并且，更令人难以置信的是，那些来自最遥远角落的黑洞（或类星体）的光在奔向我们的过程中已经花费了130多亿光年的时间。然而，我们还并不知道这些巨型黑洞是如何形成的。据美国“物理学网”1月23日消息称，《自然》杂志同日刊发的一篇研究论文透露，来自美国乔治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）、密歇根州立大学（Michigan State University）、加州大学圣地亚哥分校（University of California at San Diego）、圣地亚哥超级计算机中心（San Diego Supercomputer Center）、IBM公司以及爱尔兰都柏林城市大学（Dublin City University）的研究人员共同领导的一个最新项目为解开这个宇宙之谜提供了一条新颖且潜力极其巨大的研究途径。他们发现，当某些星系极其迅速地——甚至是猛烈地——聚集在一起时，就会形成超大质量黑洞。在这些类型罕见的星系中，正常的恒星形成过程被打乱，黑洞的酝酿过程取而代之。

该项新研究发现，大质量黑洞是在快速扩展增长的、无恒星的、致密区域内形成的，而这就推翻了长期以来已经被人们接受的观点，即大质量黑洞的形成位置仅限于会受附近星系强大辐射作用的区域内。

据该论文的通讯作者、佐治亚理工学院相对论天体物理学中心的副教授John Wise介绍，用以判定新生宇宙中巨型黑洞形成位置的关键条件跟前星系时代气体云的急剧增长具有一定的关系——因为该类气体云是今天所有星系的前身，这意味着大多数超大质量黑洞都诞生在这个新发现的场景中，拥有着同一个起源。暗物质坍缩后形成的暗物质晕是所有星系的引力粘合剂，而正是这些暗物质晕早期的快速生长阻止了恒星的形成，这些恒星本可以成为与黑洞竞相争夺进入该区域内气体物质的对手。

都柏林城市大学天体物理与相对论中心的研究员John Regan解释道：“以前的理论认为，只有当这些区域暴露在抑制恒星形成的辐射中时，这种情况（黑洞诞生）才会发生。随着我们研究的深入，我们发现这些区域正在经历一段极其快速的生长时期——这才是关键。这种快速聚集现象猛烈而动荡的本质以及星系诞生初期星系基础物质之间猛烈的碰撞，不仅阻止了正常的恒星形成过程，而且为黑洞的形成创造了完美的条件。这项研究的成果改变了以往相关的范式，开辟出一个全新的研究领域。

据该论文的作者之一、加州大学圣地亚哥分校超级计算机中心主任Michael Norman解释，早期的黑洞形成理论依赖于其附近星系的强烈紫外线辐射，让其在生成黑洞的暗物质晕中扮演阻碍恒星形成的角色。他指出：“虽然紫外线辐射仍然是因素之一，但是我们的研究结果表明，它并不是主要因素，至少在我们的模拟实验中不是。”

Wise副教授也解释道：“我们之前只是在宇宙中密度过高的区域中看到了黑洞的形成。然而，暗物质是宇宙中大部分引力的来源，气体会随之落入引力势中，在那里它就能够形成恒星或巨型黑洞。”另外，该项研究的另一个发现是，生成黑洞的暗物质晕可能比之前科学界认为的更为普遍。

用于该研究的设备是“文艺复兴”模拟实验（Renaissance Simulation）套件，这是2011年至2014年间在Blue Waters超级计算机上创建的一个70兆字节的数据集，旨在帮助科学家了解早期宇宙是如何演化发展的。未来相关模拟实验研究将着眼于这些产生大质量黑洞的星系的生命周期，包括研究宇宙中第一个大质量黑洞在整个宇宙时间跨度中的形成、生长和演化过程。

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编译：朱明逸 

审稿：阿淼  

责编：唐林芳

期刊来源： 《自然》

期刊编号： 0028-0836

原文链接：

https://phys.org/news/2019-01-birth-massive-black-holes-early.html

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