黑洞 早期宇宙中大量黑洞的诞生
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这项新的研究发现，在密集的无星区域中形成了大量的黑洞，这些区域正在快速增长，这是人们长期以来认为大规模黑洞形成仅限于被附近星系的强大辐射轰击的区域的观点。该研究的结论于1月23日在“自然”杂志上发表，并得到了美国国家科学基金会，欧盟和美国国家航空航天局的资助，也发现大量黑洞在宇宙中比以前认为的更为常见。确定宇宙婴儿时期形成的大质量黑洞的关键标准与前银河系气体云的快速增长有关，这些气体云是所有现今星系的先驱，这意味着大多数超大质量黑洞都是在这个新星形成的共同起源。佐治亚理工学院相对论天体物理中心的副教授，该论文的通讯作者John Wise说。暗物质坍缩成晕圈，是所有星系的引力胶。这些晕圈的早期快速生长阻止了恒星的形成，这些恒星将与黑洞竞争流入该区域的气态物质。
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“在这项研究中，我们发现了一种全新的机制，可以在特定的暗物质晕中形成大质量的黑洞，”怀斯说。“我们不仅要考虑辐射，还要考虑光晕的增长速度。我们不需要那么多的物理学来理解它 - 只是暗物质是如何分布的，以及重力将如何影响它。形成一个巨大的黑洞需要在一个罕见的地区与物质的强烈融合。“当研究小组在模拟中发现这些黑洞形成点时，它们首先被难倒，都柏林城市大学天体物理学和相对论中心的研究员John Regan说。以前接受的范例是，只有暴露在高水平的附近辐射时才能形成大质量的黑洞。“以前的理论认为，只有在这些地点暴露于高水平的恒星形成杀伤辐射时才会发生这种情况，”他说。“随着我们深入研究，我们看到这些地点正在经历一个极快速增长的时期。这是关键。快速集会的暴力和动荡性质，银河系诞生期间银河系基础的猛烈撞击阻止了正常的恒星形成并为黑洞的形成创造了完美的条件。这项研究改变了以往的范式，开辟了一个全新的研究领域。“加州大学圣地亚哥分校圣地亚哥超级计算机中心主任，该作品的作者之一迈克尔·诺曼说，早期的理论依赖于来自附近星系的强烈紫外线辐射来抑制黑洞形成光环中恒星的形成。“虽然紫外线辐射仍然是一个因素，但我们的研究表明它不是主导因素，至少在我们的模拟中，”他解释道。
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该研究基于Renaissance Simulation套件，该套件是2011年至2014年期间在Blue Waters超级计算机上创建的70TB数据集，用于帮助科学家了解宇宙在其早期的演变过程。为了更多地了解可能发生大质量黑洞的特定区域，研究人员检查了模拟数据并发现了十个特定的暗物质晕，它们应该形成恒星，因为它们的质量只包含一个密集的气体云。使用Stampede2超级计算机，然后他们重新模拟其中两个光晕 - 每个光圈大约2,400光年 - 以更高的分辨率来了解大爆炸后2.7亿年内发生的事情的细节。“只有在这些过于密集的宇宙区域才能看到这些黑洞形成，”怀斯说。“暗物质会产生大部分重力，然后气体就会落入那个引力势，它可以形成恒星或巨大的黑洞。”文艺复兴时期模拟是由氢和氦组成的原始气体和冷暗物质引力组装的最早阶段最全面的模拟，导致第一颗恒星和星系的形成。他们使用一种称为自适应网格细化的技术来放大形成恒星或黑洞的密集团块。此外，它们覆盖了早期宇宙中足够大的区域，形成了数千个物体 - 如果人们对稀有物体感兴趣，就像这里的情况一样。诺曼说：“高分辨率，丰富的物理特性和坍塌光晕的大样本都是实现这一结果所必需的。”
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对两个候选区域进行的模拟分辨率的提高使得科学家能够看到湍流以及随着黑洞前体开始凝聚和旋转而形成的气体和物质团块的流入。他们的增长率是惊人的。“天文学家观察到超大质量黑洞已经在8亿年内增长到十亿个太阳质量，”怀斯说。“这样做需要在该地区进行强烈的质量收敛。你可以预期在很早的时候形成星系的地区。”该研究的另一个方面是产生黑洞的晕圈可能比以前认为的更常见。“这项工作的一个令人兴奋的组成部分是发现这些类型的光晕虽然很少见，但可能很常见，”密歇根州立大学教授Brian O'Shea说。“我们预测，这种情况将足以成为观测到的最大质量黑洞的起源，无论是在宇宙早期还是在今天的星系中。”这些模拟的未来工作将关注这些大质量黑洞形成星系的生命周期，研究第一个大质量黑洞的形成，生长和演化。“我们的下一个目标是探索这些奇异物体的进一步演变。今天这些黑洞在哪里？我们能否在当地宇宙或引力波中发现它们的证据？”里根问道。
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