宇宙早期大質量黑洞的誕生

從宇宙中第一個大質量黑洞周圍釋放出來的光是如此強烈，以至於它能夠到達整個宇宙的望遠鏡。令人難以置信的是，來自最遙遠的黑洞(或類星體)的光已經向我們傳播了130多億光年。然而，我們不知道這些巨型黑洞是如何形成的。由喬治亞理工學院、都柏林城市大學、密歇根州立大學、加州大學聖地亞哥分校、聖地亞哥超級計算機中心和IBM的研究人員領導的一項新研究，為解決這個宇宙之謎提供了一條新的、極有希望的途徑。研究小組發現，當星系極其迅速地聚集在一起，有時甚至是劇烈地聚集在一起時，就會形成質量非常大的黑洞。在這些罕見的星系中，正常的恆星形成被打亂，黑洞形成取而代之。

新的研究發現，大質量黑洞是在快速增長的緻密無星區域形成的，這推翻了長期以來人們接受的觀點，即大質量黑洞的形成僅限於受到附近星系強大輻射轟擊的區域。這項研究的結論發表在1月23日的《自然》雜誌上，並得到了國家科學基金會、歐盟和美國宇航局的資助。確定的關鍵標準,巨大的黑洞在宇宙的形成階段與前星系氣體雲崩塌的快速增長的前身所有今天的星系,這意味著大多數超大質量黑洞有共同的起源形成在這個新發現的場景中,約翰說智慧,在相對論天體物理學中心的副教授喬治亞理工學院和論文的通訊作者。暗物質坍縮成暈，暈是所有星系的引力粘合劑。這些光環的早期快速生長阻止了恆星的形成，這些恆星本可以與黑洞競爭進入該區域的氣體物質。

懷斯說:「在這項研究中，我們發現了一種全新的機制，它能激發大質量黑洞的形成，特別是暗物質暈的形成。」「我們不應該只考慮輻射，我們需要看看光環的增長速度有多快。我們不需要那麼多的物理學知識就能理解暗物質是如何分布的，引力會如何影響它。形成一個大質量黑洞需要在一個物質高度收斂的罕見區域。都柏林城市大學天體物理與相對論中心的研究員約翰·里甘說，當研究小組在模擬中發現這些黑洞的形成地點時，他們一開始被難住了。之前公認的理論是，大質量黑洞只能在附近受到高水平輻射的情況下形成。

他說:「以前的理論認為，只有當這些地點暴露在高水平的恆星形成致死輻射中時，這種情況才會發生。」「隨著我們研究的深入，我們發現這些地方正在經歷一段極其快速的增長時期。這是關鍵。快速聚集的猛烈和動蕩的本質，以及星系誕生時星系基礎的猛烈碰撞阻止了正常恆星的形成，反而為黑洞的形成創造了完美的條件。這項研究改變了以往的範式，開闢了一個全新的研究領域。加州大學聖地亞哥分校(UC San Diego)超級計算機中心(San Diego supersupercenter)主任、該研究的作者之一邁克爾諾曼(Michael Norman)說，早期的理論依賴於附近星系的強烈紫外線輻射，以抑制黑洞形成暈中的恆星的形成。他解釋說:「雖然紫外線輻射仍然是一個因素，但我們的研究表明，它不是主要因素，至少在我們的模擬中不是。」

該研究基於Renaissance模擬套件，該套件是2011年至2014年間在Blue Waters超級計算機上創建的一個70兆兆位元組的數據集，旨在幫助科學家了解宇宙早期是如何演化的。為了更多地了解大質量黑洞可能形成的特定區域，研究人員檢查了模擬數據，發現了10個特定的暗物質暈，它們本應形成恆星，但只包含稠密的氣體雲。利用Stampede2超級計算機，他們以更高的解析度重新模擬了其中兩個日冕——每個日冕直徑約2400光年——以了解大爆炸2.7億年之後日冕內發生的事情的細節。懷斯說:「我們只是在宇宙中這些密度過高的區域看到了這些黑洞的形成。」「暗物質創造了大部分的引力，然後氣體落入引力勢，在那裡它可以形成恆星或巨大的黑洞。」

文藝復興時期的模擬是對由氫、氦和冷暗物質組成的原始氣體的引力裝配的早期階段進行的最全面的模擬，這些氣體導致了第一批恆星和星系的形成。他們使用一種被稱為自適應網格細化的技術來放大形成恆星或黑洞的緻密團塊。此外，它們覆蓋了早期宇宙中足夠大的區域，足以形成數千個天體——如果你對稀有天體感興趣，這是一個必要條件，就像這裡的情況一樣。「要達到這個結果，需要高解析度、豐富的物理學和大量坍縮暈樣本，」諾曼說。

對兩個候選區域的模擬解析度的提高使得科學家們能夠看到湍流，以及黑洞前驅體開始凝結和旋轉時氣體和物質團塊的流入。它們的增長率是驚人的。懷斯說:「天文學家觀察到超大質量黑洞在8億年的時間裡增長到了10億個太陽質量。」「要做到這一點，就需要該區域的質量高度收斂。」你會認為在星系形成的早期區域

研究的另一個方面是，產生黑洞的光環可能比之前認為的更為普遍。密歇根州立大學(Michigan State University)教授布萊恩·奧謝(Brian O』shea)說，「這項研究的一個令人興奮的部分是發現，這些類型的暈雖然罕見，但可能已經足夠常見了。」「我們預測這種情況將會發生，足以成為目前在宇宙早期和星系中觀測到的質量最大的黑洞的起源。」

未來對這些模擬的工作將著眼於這些大質量黑洞形成星系的生命周期，研究第一個大質量黑洞的形成、生長和演化。「我們的下一個目標是探索這些奇異天體的進一步進化。今天的黑洞在哪裡?我們能在局部宇宙或引力波中發現它們的證據嗎?」里根問道。對於這些新的答案，研究團隊——和其他人——可能會回到模擬中。

諾曼說:「文藝復興時期的模擬實驗非常豐富，可以利用已經計算過的數據進行其他發現。」「出於這個原因，我們在SDSC創建了一個公共檔案，其中包括文藝復興模擬實驗室，其他人可以在這裡研究自己的問題。」

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