宇宙首個(gè)黑洞形成于食物匱乏的“饑餓狀態(tài)”

        這項(xiàng)計(jì)算機(jī)模擬是由科維理粒子天體物理學(xué)與宇宙學(xué)研究所天體物理學(xué)家馬賽爾－阿爾瓦瑞茲（Marcelo Alvarez）和托姆－亞伯（Tom Abel）等人運(yùn)算完成的，之前的通俗觀點(diǎn)認(rèn)為，宇宙早期的第一個(gè)黑洞是以氣體云和灰塵為食，最終增長(zhǎng)成為特大質(zhì)量黑洞，潛伏在目前星系的中心區(qū)域。然而，這項(xiàng)最新研究顯示宇宙中第一個(gè)黑洞的誕生過(guò)程要更加復(fù)雜，該研究報(bào)告發(fā)表在《天體物理學(xué)期刊快報(bào)》上。


        亞伯說(shuō)：“我感到興奮的是我們目前能夠模擬非常具體的物理學(xué)特征，我們能夠顯示這些理論是如何運(yùn)行的，以及哪些理論是行不通的。在未來(lái)十年內(nèi)，我們使用類似的計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)將能夠揭示關(guān)于宇宙黑洞的非常重要特性。


        為了獲得這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，研究人員建立了迄今由于恒星崩潰形成的宇宙第一個(gè)黑洞，這項(xiàng)模擬起始于宇宙背景輻射（宇宙中最早期的結(jié)構(gòu)）的觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究人員應(yīng)用基礎(chǔ)法則控制宇宙物質(zhì)的交互作用，使得早期宇宙的模擬過(guò)程能夠成為現(xiàn)實(shí)。在模擬實(shí)驗(yàn)中，宇宙大爆炸殘留的氣體云在重力作用下緩慢進(jìn)行合并，最終形成第一批恒星。這些超大質(zhì)量、熾熱恒星短暫地明亮燃燒，噴射出大量的能量物質(zhì)形成星光，推動(dòng)附近的氣體云遠(yuǎn)離它們。然而這些恒星的壽命并不長(zhǎng)久，它們很快就耗盡內(nèi)部燃料。這將導(dǎo)致其中某個(gè)恒星在自己的重量下崩潰，在宇宙中的空虛區(qū)域內(nèi)形成一個(gè)黑洞。在這個(gè)宇宙最早的黑洞周圍缺少宇宙物質(zhì)，使其在成長(zhǎng)過(guò)程中一直處于缺乏食物的“饑餓狀態(tài)”。


        阿爾瓦瑞茲說(shuō)：“宇宙早期由黑洞提供能量的類星體（具有極強(qiáng)的輻射性）質(zhì)量是太陽(yáng)的10億倍，我們必須弄明白這些超大質(zhì)量星體是如何在短期內(nèi)增長(zhǎng)成龐然大物的。我們將從天體物理學(xué)角度解釋這些最基礎(chǔ)的起源物質(zhì)。”早期宇宙存在超大質(zhì)量黑洞的一種推測(cè)性解釋是第一個(gè)黑洞通過(guò)重力吸引和吞并宇宙物質(zhì)，“播種”形成較大體積的黑洞。但是在最新的計(jì)算機(jī)模擬中，研究人員發(fā)現(xiàn)像以上的理論推測(cè)是行不通的，計(jì)算機(jī)模擬中的黑洞在1億年里僅增長(zhǎng)原始質(zhì)量的1%。他還指出，，雖然計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)并未完全排斥這項(xiàng)理論，通過(guò)模擬觀測(cè)宇宙第一個(gè)黑洞存在近10億年的時(shí)間，該黑洞幾乎不可能直接形成超大質(zhì)量黑洞。


       雖然宇宙早期恒星推開(kāi)附近的氣體云，延遲之后恒星崩潰形成黑洞的成長(zhǎng)速度，但仍在黑洞附近可發(fā)現(xiàn)幾縷氣體。在研究人員的模擬實(shí)驗(yàn)中，宇宙物質(zhì)被吸入黑洞后，黑洞將加速，并釋放出足夠的X放射線加熱100多光年之遙的氣體，使其升溫到數(shù)千攝氏度。來(lái)自X射線的附加熱量將導(dǎo)致氣體擴(kuò)張遠(yuǎn)離黑洞。


        由于X射線的加熱，將能有效地預(yù)防在數(shù)千萬(wàn)年至數(shù)億年間附近的氣體崩潰形成恒星，因此，研究人員推測(cè)比普通氣體云更大體積的氣體云能有機(jī)會(huì)形成恒星，像這樣的超級(jí)氣體云可能最終在其重量下崩潰形成一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。阿爾瓦瑞茲說(shuō)：“雖然從宇宙物質(zhì)釋放的X射線落在宇宙第一個(gè)黑洞上可阻礙黑洞的未來(lái)成長(zhǎng)，但通過(guò)抑制恒星形成，X射線能夠加速形成超大質(zhì)量黑洞。然而我們目前仍有許多的工作需要進(jìn)行測(cè)試，確定這些理論觀點(diǎn)是否真實(shí)有效，這只是宇宙早期模擬黑洞研究的冰山一角而已。”


        該研究小組成員之一約翰－維斯（John Wise）來(lái)自美國(guó)宇航局戈德登太空飛行中心，他強(qiáng)調(diào)稱，這項(xiàng)研究很可能會(huì)使人們重新反思來(lái)自黑洞的放射線如何影響周圍的環(huán)境，黑洞并不僅僅是一些死寂的宇宙物質(zhì)，它們實(shí)際上可以影響星系的其他部分。（悠悠/編譯）