回顧過去，可以看到另一種不同的黑洞

當超大恆星死亡時，黑洞可能就形成了，內部物質坍縮成一個密度極高的物體，甚至光也無法從中逃脫。天文學家推理說：大質量黑洞也可能在星系誕生時形成，但到目前為止，還沒有人能夠回溯到足夠遠的時間來觀察產生這些直接塌縮黑洞的條件。詹姆斯·韋伯太空望遠鏡計劃於2021年發射升空，它可能能夠在足夠遠的距離上返回到早期宇宙中，看到一個星系中有一個新生的巨大黑洞。現在，喬治亞理工學院(Georgia Institute of Technology)的研究人員進行的一項模擬表明，如果天文學家在天空中搜索DCBH的早期階段，他們應該尋找什麼。發表在《自然天文學》(Nature Astronomy)上的這一首次模擬實驗表明，這些黑洞的直接形成將伴隨著特定種類的強烈輻射。

博科園-科學科普：包括x射線和紫外線發射，當它們到達望遠鏡時，會轉變成紅外線。黑洞也可能會產生大量沒有金屬的恆星，這是一個意想不到的發現。這項研究得到了美國宇航局、洛斯阿拉莫斯國家實驗室、美國國家科學基金會、南部地區教育委員會和兩項哈勃理論基金的支持。該論文的第一作者、喬治亞理工學院物理學博士研究生柯克ss s巴羅(Kirk S. S. Barrow)說：在許多大型星系的中心有超大質量的黑洞，但我們無法觀察它們的形成方式，也無法觀察它們是如何變大的。科學家們推測這些超大質量黑洞可能是在星系誕生時形成的，希望將這些理論預測轉化為可通過詹姆斯韋伯太空望遠鏡觀測到的觀測預測。

喬治亞理工學院物理學院和相對論天體物理學中心的約翰·h·懷斯(John H. Wise)教授說：DCBH的形成是由於星系早期形成過程中大量氣體的坍縮引起的。但是在天文學家希望捕捉到這種形成之前，必須知道望遠鏡能夠探測到的光譜中應該尋找什麼，主要是紅外線。黑洞形成可能需要一百萬年左右的時間，但為了想像它可能是什麼樣子，前博士後研究員、現供職於洛斯阿拉莫斯國家實驗室(Los Alamos National Lab)的艾金·阿庫塔爾普(AycinAykutalp)利用美國國家科學基金會(National Science Foundation)支持的位於奧斯汀的德克薩斯大學斯坦佩德超級計算機進行了一次模擬，重點關注DCBH形成後的後果。

DCBH模擬圖像顯示了早期星系的密度(左)和溫度(右)，可以看到超新星衝擊波從中心膨脹，擾亂和加熱星系。圖片：Georgia Tech

模擬採用了物理第一原理，如重力、輻射和流體力學。如果星系先形成，然後黑洞在中間形成，那就會有一種特徵。如果黑洞先形成，會有不同的特徵嗎？我們想知道是否會有物理上的差異，如果有，是否會轉化為可以用詹姆斯韋伯太空望遠鏡觀察到的差異。這些模擬提供了密度和溫度等信息，巴羅將這些數據轉換成通過望遠鏡可能觀測到的東西的預測——可能觀測到的光線以及它在到地球的長途旅行中會遇到的氣體和塵埃對它的影響，最後有了一個觀察者可能看到的東西。

黑洞的形成需要大約100萬年的時間，這是銀河系時間的一個暫時現象。在DCBH模擬中，第一步是氣體坍縮成比太陽大10萬倍的超大質量恆星。然後，恆星會經歷重力不穩定，坍縮成一個巨大的黑洞。模擬結果顯示，黑洞發出的輻射在大約50萬年的時間裡觸發了恆星的形成。第一代恆星的質量通常要大得多，所以它們的壽命較短，在它們形成後的前五六百萬年里，它們死亡並成為超新星。這是在這項研究中報告的另一個特徵超新星形成後，黑洞平靜下來，但在電磁輻射(試圖逃逸的紫外光和x射線)和黑洞自身引力之間產生了鬥爭，這些循環又持續了兩千萬到三千萬年。

這是一幅模擬的紫外光假彩色圖像，顯示加熱氣體螺旋進入中心的黑洞。圖片：Georgia Tech

黑洞在宇宙中相對普遍，所以希望有足夠多的快照，天文學家就能捕捉到一個黑洞的誕生，這就能讓我們對星系如何隨時間進化有一個新的認識。圍繞DCBH的恆星形成出人意料，但事後看來，這是有道理的。黑洞產生的電離作用會產生光化學反應，從而觸發恆星的形成。沒有金屬的恆星往往比其他恆星大，因為缺少鐵等金屬可以防止碎片形成。但由於它們太大，這些恆星會產生大量的輻射，並在超新星中結束生命。這是早期宇宙的最後一個大謎團之一，希望這項研究為弄清這些超大質量黑洞是如何在星系誕生時形成提供了一個很好的方向。

博科園-科學科普｜參考期刊文獻 :《自然天文學》（Nature Astronomy）｜研究/來自：喬治亞理工學院，DOI: 10.1038/s41550-018-0569-y

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