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宇宙早期的超大质量黑洞形成

时间:2020-09-16 00:16 来源: 作者: 点击:

        卡耐基-梅隆大学的研究人员通过计算机模拟发现,稀薄冷气体不受控制地流入首批黑洞的中央,使黑洞能够快速成长,从而形成了宇宙早期的超大质量黑洞。相关研究发布在《天体物理学快报》杂志上。

    在宇宙大爆炸发生后的7—8亿年,多数天体质量都很小,第一代恒星和星系才刚开始在宇宙中的不同地域孤立地形成、成长。根据天体物理学理论,在这一时期发现的黑洞也应该很小,与所处星系的比例相称。然而,斯隆数字巡天(SDSS)近期的观测表明,事实正好相反,早在大爆炸后的7亿年,超大质量黑洞就已存在。

    卡耐基-梅隆大学物理学副教授鲁珀特-克罗夫特说:“单从星系和黑洞形成的方程式上分析,确实不可能那么早就形成这些超大质量黑洞,但它们却存在着。”同为物理学副教授的孜阿纳-迪-马特奥也表示:“这是一个谜团,虽然这些超大质量黑洞的年龄不足10亿年,但它们的大小却与当今最大质量黑洞相当,而最大的黑洞已有136亿年高龄。”

    为找出这些超大质量黑洞的成因,科研人员进行了迄今最大规模的宇宙模拟。他们基于宇宙学标准模型的设定,侧重于模拟重现宇宙大爆炸后的最早10亿年。此次的计算机模拟利用超级计算机完成,并由aPan时间机技术组合成图像。这一技术允许研究人员以极高的分辨率,如同看录像一般,观察对于早期宇宙的模拟。这能够支持他们按时间需要,轻易地移动宇宙的模拟图像,同时还能对特定区域进行放大,获取望远镜才能看到的相关细节。

    在将关注点移向首批超大质量黑洞时,他们发现了一些不同寻常的细节。通常情况下,当冷气体流向黑洞时,它将和星系周围的其他气体发生碰撞,在进入黑洞前气温上升,随后再逐渐冷却。这一过程被称之为“激波加热”,其能有效制约黑洞的增长速度,避免生成超大质量黑洞。然而科研人员却发现,在模拟中,稀薄的冷气体流会沿赋予宇宙结构的旋线流淌,随后以极高的速度直接流入黑洞的中央,为黑洞奉上一道“冷快餐”。而正是这种不受控的消耗,导致了黑洞大小的指数增长。

    由于黑洞形成的同时星系也在成形,因此这一成果能够为阐明第一代星系的形成奠定基础,并为破译宇宙的形成提供更多线索。下一步,科研团队还将尝试更大规模的宇宙模拟,力图涵盖更多的空间和时间段。

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