發現早期宇宙大質量黑洞形成的全新機制:暗物質暈

作者 | 發布日期 2019 年 01 月 25 日 19:35 | 分類 天文 , 尖端科技 , 自然科學 follow us in feedly


早期宇宙如何形成大質量黑洞的謎團,似乎逐漸撥雲見日。來自喬治亞理工學院、都柏林城市大學等機構組成的科學團隊,發現一種促進早期宇宙大質量黑洞形成的全新機制:星系外圍無星區的暗物質暈(dark matter halo)。

一個超大質量黑洞如何在資源匱乏的早期宇宙中形成?過去觀點普遍認為,超大質量黑洞由星系強烈的輻射點燃,然而一般黑洞需等一顆巨大恆星耗盡所有燃料、爆炸成超新星後才有機會成形,遑論超大質量黑洞要花更長時間吸收更多質量。然而早期宇宙都還在蹣跚學步,哪來那麼多恆星餵養黑洞?又如何在大爆炸後僅幾億年時間就形成超大質量黑洞?

2017 年底,天文學家發現了迄今為止最古老的超大質量黑洞,位於類星體 ULAS J1342 + 0928 中心,距離地球約 131 億光年,質量高達太陽質量 8 億倍;換句話說,它在大爆炸後不到 6.9 億年時間吃了 8 億顆太陽。

當時的團隊表明,一定還有個未知機制參與其中,否則無法為這個超大質量黑洞的存在正名。

現在,來自喬治亞理工學院(Georgia Tech)、都柏林城市大學、密西根州立大學、加州大學聖地牙哥分校、聖地牙哥超級電腦中心(SDSC)的科學團隊,找到了一個促使早期宇宙超大質量黑洞形成的全新機制!雖然不確定此機制與彼未知機制是否為同一個,有待天文學家後續商榷。

▲ 早期宇宙超大質量黑洞形成的全新機制模擬示意影片。

新研究指出,當星系快速且暴力聚集時,外圍的恆星形成過程反而被打亂,由黑洞取而代之迅速增長。那麼這過程的作用機制為何?研究通訊作者、喬治亞理工學院天體物理學家 John Wise 解釋,首先依賴星系形成時的大量氣體雲。

研究團隊利用 Blue Waters 超級電腦(註)於 2011~2014 年期間收集的 70TB 數據進行模擬,發現有 10 個暗物質暈(環繞在星系外圍)區域應該形成恆星,但實際上那裡完全沒有星星,僅包含稠密氣體雲。為此,團隊再利用 Stampede2 超級電腦分析其中 2 個暗物質暈,用更高的分辨率探討內部細節。

驚人的是,研究人員在這氣體稠密的無星區看見了黑洞形成,而不是從附近星系高輻射區域看見。暗物質是宇宙中看不見的關鍵成分,在這種新機制中,它跟著迅速成長、阻止恆星形成,John Wise 表示,同時暗物質也會產生重力,當大量氣體受重力吸引落入,便轉而形成巨大黑洞。

研究團隊預測,這種全新機制將成為未來觀測到超大質量黑洞的起源,無論時間點是早期宇宙還是今日;此外,研究也告訴我們,整個宇宙中的黑洞數量將比我們以前認知的還要多。新論文發表在《自然》期刊。

註:Blue Waters是一台 PetaFLOPS 級別的超級電腦名稱。

(首圖來源:喬治亞理工學院

延伸閱讀: