發現早期宇宙大質量黑洞形成的全新機制：暗物質暈

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。