早期宇宙的巨大黑洞出生在快速增長(zhǎng)的暗物質(zhì)光環(huán)中

當(dāng)宇宙不到10億年時(shí)，它的一些恒星變成了超大質(zhì)量的黑洞。天文學(xué)的一個(gè)關(guān)鍵謎團(tuán)是：為什么早期宇宙中有這么多巨大的黑洞?發(fā)表在“ 自然 ”雜志上的一項(xiàng)新的基于模擬的研究表明，當(dāng)星系形成得非?？鞎r(shí)，大量的黑洞會(huì)茁壯成長(zhǎng)。該研究還發(fā)現(xiàn)，這些黑洞在宇宙中比以前認(rèn)為的更為常見(jiàn)。

暗物質(zhì)坍縮成暈圈，是所有星系的引力膠。

這些暈圈的早期快速生長(zhǎng)阻止了恒星的形成，這些恒星將與黑洞競(jìng)爭(zhēng)流入該區(qū)域的氣態(tài)物質(zhì)。

“確定宇宙初期形成大質(zhì)量黑洞的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)與前銀河系氣體云的快速增長(zhǎng)有關(guān)，這些氣體云是所有現(xiàn)今星系的先驅(qū)，這意味著大多數(shù)超大質(zhì)量黑洞都有一個(gè)共同的起源。新發(fā)現(xiàn)的情景，“研究的主要作者，約翰懷斯博士說(shuō)，他是佐治亞理工學(xué)院物理學(xué)院相對(duì)論天體物理中心的研究員。

“在研究中，我們發(fā)現(xiàn)了一種全新的機(jī)制，可以在特定的暗物質(zhì)暈中形成大質(zhì)量的黑洞，”他說(shuō)。

“我們不僅要考慮輻射，還要考慮光暈的增長(zhǎng)速度。我們不需要那么多的物理學(xué)來(lái)理解它 - 只是暗物質(zhì)是如何分布的以及重力將如何影響它。形成一個(gè)巨大的黑洞需要在一個(gè)罕見(jiàn)的地區(qū)與物質(zhì)的強(qiáng)烈融合。“

以前接受的范例是，只有暴露在高水平的附近輻射時(shí)才能形成大質(zhì)量的黑洞。

研究報(bào)告的共同作者，都柏林城市大學(xué)天體物理學(xué)和相對(duì)論研究中心的研究員John Regan博士說(shuō)：“以前的理論認(rèn)為這應(yīng)該只發(fā)生在地點(diǎn)暴露于高水平的恒星形成殺傷輻射時(shí)。”

“隨著我們深入研究，我們發(fā)現(xiàn)這些網(wǎng)站正在經(jīng)歷一個(gè)極度快速增長(zhǎng)的時(shí)期。這是關(guān)鍵。“

研究報(bào)告的共同作者，加州大學(xué)圣地亞哥超級(jí)計(jì)算機(jī)中心主任Michael Norman博士說(shuō)：“早期的理論依賴于來(lái)自附近星系的強(qiáng)烈紫外線輻射來(lái)抑制黑洞形成暈圈中的恒星形成。” ， 圣地亞哥。

“雖然紫外線輻射仍然是一個(gè)因素，但我們的研究表明它不是主導(dǎo)因素，至少在我們的模擬中是這樣。”

該研究基于Renaissance Simulation套件，該套件是2011年至2014年間在Blue Waters超級(jí)計(jì)算機(jī)上創(chuàng)建的70TB數(shù)據(jù)集，用于幫助科學(xué)家了解宇宙在早期的演變過(guò)程。

為了更多地了解可能發(fā)生大質(zhì)量黑洞的特定區(qū)域，研究小組檢查了模擬數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了十個(gè)特定的暗物質(zhì)暈，它們的質(zhì)量應(yīng)該形成恒星，但只包含一個(gè)密集的氣體云。

然后，科學(xué)家們以更高的分辨率重新模擬其中兩個(gè)光暈 - 每個(gè)光暈大約2,400光年 - 以了解大爆炸后2.7億年內(nèi)發(fā)生的事情的細(xì)節(jié)。

對(duì)兩個(gè)候選區(qū)域進(jìn)行的模擬分辨率的提高使得研究人員能夠看到湍流以及隨著黑洞前體開始凝聚和旋轉(zhuǎn)而形成的氣體和物質(zhì)團(tuán)塊的流入。他們的增長(zhǎng)率是驚人的。

“天文學(xué)家觀測(cè)到超大質(zhì)量黑洞已經(jīng)在8億年內(nèi)發(fā)展到十億太陽(yáng)質(zhì)量。這樣做需要該地區(qū)的大規(guī)模集中。你可以期待在極早期形成星系的地區(qū)，“懷斯博士說(shuō)。

該研究的另一個(gè)方面是產(chǎn)生黑洞的暈圈可能比以前認(rèn)為的更常見(jiàn)。

“這項(xiàng)工作的一個(gè)令人興奮的部分是發(fā)現(xiàn)這些類型的光環(huán)雖然很少見(jiàn)，但可能很常見(jiàn)，”密歇根州立大學(xué)的研究報(bào)告的共同作者Brian O'Shea教授說(shuō)。

“我們預(yù)測(cè)，這種情況將足以成為觀測(cè)到的最大質(zhì)量黑洞的起源，無(wú)論是在宇宙早期還是在今天的星系中。”