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超大质量黑洞重新溯源:可能与暗物质的光晕有关
2019-07-04 09:09  点击数:

科学家正重新思考宇宙中第一个超大质量黑洞的诞生故事。

研究人员普遍认为,这些庞然大物是在邻近星系紫外线辐射泛滥的地区萌芽的。这一理念形成的基础是认为这种辐射抑制了正常恒星的形成,释放出的物质最终融入黑洞。

但一项新的研究表明,另一种现象可能在抑制这类恒星的形成方面更为重要——即暗物质光晕的快速增长。暗物质是构成宇宙大部分物质的神秘物质(之所以如此命名,是因为它既不吸收光线,也不反射光线)。

该研究的第一作者、乔治亚理工学院相对论天体物理学中心的副教授约翰·怀斯(John Wise)在一份声明中说:“在这项研究中,我们发现了一种全新的机制,它能激发大质量黑洞的形成,尤其是暗物质光晕的形成。”

怀斯补充说:“我们不应该只考虑辐射,也需要考虑光晕的生长速度。理解它不需要那么多的物理学知识——仅仅需要知道暗物质是如何分布的,以及引力将如何影响它即可。需要在一个物质高度聚合的罕见区域形成一个大质量黑洞。

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一个放大了的30光年的暗物质光晕。旋转的气体盘分裂成三个团块,在它们自身的重力作用下坍塌,形成超大质量恒星。图源:约翰·怀斯

怀斯和他的同事在分析了超级计算机对早期宇宙演化的模拟后得出了这个结论。这些模拟揭示了10个只包含气体云的暗物质光晕,这些光晕的质量很大,本应成为恒星的摇篮。

研究人员随后对其中两个大约有2400光年宽的光晕进行了额外的模拟,以便更详细地了解宇宙诞生后2.7亿年可能发生了什么。

怀斯说:“我们只是在宇宙中这些密度极高的区域看到了这些黑洞的形成。暗物质创造了大部分的引力,然后气体落入引力势,在那里它可以形成恒星或巨大的黑洞。”

研究人员发现,在光晕膨胀的地方,黑洞容易形成。黑洞自身的增长是由构成新生星系的气体云的合并所推动的。

“这是关键,”该研究的共同作者爱尔兰都柏林城市大学天体物理学和相对论中心的研究员约翰·里根(John Regan)在同一份声明中说,“星系诞生时星系基础快速聚集的猛烈以及动荡的本质,再加上猛烈碰撞,阻止了正常恒星的形成,反而为黑洞的形成创造了完美的条件。”

这项新研究表明,这些条件只会导致少数超大质量恒星的形成,而不是大量较小的“正常”恒星的形成。超大质量恒星太活跃,消失得早,很快就坍缩成黑洞,这种黑洞不像类太阳恒星,后者活了数十亿年,最终成为被称为白矮星的高密度僵尸恒星。其中一些新生的黑洞在亿万年后成长为超大质量的庞然大物。

研究小组认为,在整个宇宙的历史中,快速增长的暗物质光晕可能已经足够普遍,具有相当大的解释力。

这项研究的共同作者布莱恩·奥谢( Brian O'Shea)是密歇根州立大学计算和理论天体物理学家,他在相同的声明中说:“我们预测这种情况的发生足以成为我们无论是在早期的宇宙还是现在的星系中观测到的质量最大的黑洞的起源。”

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