宇宙第一個超大質量黑洞誕生於暗物質，而不是大質量恆星坍塌？

宇宙中第一個超大質量黑洞的誕生故事正在被重新思考。研究人員普遍認為，這些具有開拓性的龐然大物種子是在鄰近星系紫外線輻射泛濫區域發芽的。這種輻射抑制了正常恆星的形成，釋放出物質最終融入黑洞，這一想法得以實現。但一項新的研究表明，另一種現象可能在抑制這類恆星的形成方面更為重要——暗物質的「光暈」快速增長。暗物質是構成宇宙大部分物質的神秘物質(之所以如此命名，是因為它既不吸收光線，也不反射光線)。該研究的第一作者、喬治亞理工學院相對論天體物理學中心的副教授約翰懷斯(John Wise)在一份聲明中說：

博科園-科學科普：在這項研究中，我們發現了一種全新的機制，它能激發大質量黑洞的形成，尤其是暗物質暈的形成。不應該只考慮輻射，而應該考慮光暈的生長速度，不需要那麼多的物理學知識來理解它——僅僅是暗物質是如何分布的，以及引力將如何影響它。形成一個大質量黑洞需要在一個物質高度聚集的罕見區域。研究人員在分析了超級計算機對早期宇宙演化的模擬後得出了這個結論。這些模擬揭示了10個只包含氣體雲的暗物質暈，儘管它們的質量如此之大，本應成為恆星的搖籃。研究人員隨後對其中兩個光暈進行了額外的模擬，每個光環大約有2400光年寬，以便更詳細地了解宇宙誕生後2.7億年可能發生了什麼。

超級計算機模擬中，一個3萬光年寬的區域集中在一群年輕星繫上，這些星系在加熱周圍氣體時產生輻射(白色)和金屬(綠色)。在這個受熱區域外的暗物質暈形成了三顆超大質量恆星(插圖)，每顆恆星質量都是太陽的1000倍以上。這些巨大的恆星迅速坍縮成巨大的黑洞，經過數十億年，最終形成超大質量黑洞。圖片：Advanced Visualization Lab, National Center for Supercomputing Applications

研究人員只是在宇宙中這些密度過高的區域看到了這些黑洞形成。暗物質創造了大部分的引力，然後氣體落入引力勢，在那裡它可以形成恆星或巨大的黑洞。研究人員發現，在光環膨脹的地方，黑洞更受青睞，它們自身的增長是由構成新生星系的氣體雲的合併所推動。該研究的合著者、愛爾蘭都柏林城市大學天體物理學和相對論中心的研究員約翰·里甘在同一份聲明中說：這是關鍵，快速聚集的猛烈和活動的本質，以及星系誕生時星系基礎的猛烈碰撞，阻止了正常恆星的形成，反而為黑洞形成創造了完美的條件。新的研究表明，這些條件只會導致少數超大質量恆星的形成，而不是大量較小的「正常」恆星形成。

一個放大內部30光年的暗物質暈，旋轉的氣體盤分散成三個團塊，在它們自身的重力作用下坍塌，形成超大質量恆星。圖片：John Wise

超大質量恆星活得快，死得早，很快就坍縮成黑洞——不像類太陽恆星，它們活了數十億年，最終成為緻密的恆星屍體，被稱為白矮星。其中一些新生黑洞在億萬年後成長為超大質量的龐然大物。研究小組認為，在整個宇宙的歷史中，快速增長的暗物質暈可能已經足夠普遍，具有相當大的解釋力。密歇根州立大學(Michigan State University)的計算和理論天體物理學家，該研究的合著者布萊恩·奧謝(Brian O』shea)在同一份聲明中說：我們預測這種情況會發生，足以成為目前在宇宙早期和星系中觀測到質量最大的黑洞起源，這項新研究於2019年1月23日發表在《自然》上。

博科園-科學科普｜參考期刊文獻:《自然》

文：Mike Wall/Space

DOI: 10.1038/s41586-019-0873-4

博科園-傳遞宇宙科學之美

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！