誕生於宇宙黎明的超大質量黑洞是怎麼形成的？

——天文學家通過建模支持了一種可能理論

文：鄭娟娟

早在十幾年前，天文學家就發現了處於宇宙黎明時期（the dawn of the universe）的超大質量黑洞的身影。它們的存在一直令人迷惑不已，因為在通常情況下，形成一個超大質量黑洞需要幾十億年的時間，而截止目前，僅通過觀測發現的宇宙黎明期的超級巨獸就超過了二十幾個，其中有些黑洞出現的時間要追溯到宇宙大爆炸後的8億年以內。

例如，2015年2月的《自然》雜誌，就報道天文學家們發現了一個超大質量黑洞，其質量大約是太陽的120億倍，出現的時間僅僅是大爆炸後的8.75億年。黑洞的成長需要時間，對於天文學家們來說，他們本來並不指望在如此早期的宇宙能夠發現這般巨大的黑洞，他們甚至認為，從理論上來說，在大爆炸後的10億年以內，發現超過100億倍太陽質量的黑洞簡直是難以置信的。

研究這種超級巨獸的成因既充滿挑戰又十分有趣。昨天，《Nature Astronomy（自然天文學）》雜誌在線發布了一項新的研究成果，來自愛爾蘭都柏林城市大學、美國哥倫比亞大學、喬治亞理工大學、赫爾辛基大學的一組研究人員，為這些古老巨大黑洞的成因增加了一個新的證明。

在計算機模擬中，研究人員表明，如果位於宿主星系附近的星系能夠發出足夠的輻射，關閉該宿主星系的恆星形成能力，那麼位於宿主星系中心的黑洞就能夠迅速成長。

圖片：計算機模擬圖，左邊所示的巨大的黑洞能夠隨著來自附近星系的強輻射使其宿主星系關閉恆星形成而快速生長。

哥倫比亞大學的天文學教授、論文的合著者Zoltan Haiman說：「宿主星系的坍塌，以及一個百萬太陽質量黑洞的形成，需要10萬年，在宇宙時間裡，僅僅是曇花一現的瞬間，」「幾億年之後，這個百萬質量的黑洞就已經成長為一個十億太陽質量的超大質量黑洞，這個速度比我們預期的要快得多。」

在早期宇宙，恆星和星系正在形成，當時的環境會限制黑洞成長為宇宙巨獸。因為分子氫將氣體轉化為恆星，這樣，氣體就會擁有足夠的距離以逃離黑洞的引力。於是，為了「使」當時的黑洞「克服」這個障礙，天文學家們已經提出了幾種方法。

在一項2008年的研究中，Haiman和他的同事們假設，來自一個巨大的臨近星系的輻射能夠將分子氫分解成原子氫，進而導致新生的黑洞和它的宿主星系坍塌，而非產生新的星團。

隨後，由哥倫比亞大學博士後研究員Eli Visbal領導的研究，計算出了這個「附近的星系」必須至少擁有超過1億倍的太陽質量，才能放射出足夠的輻射阻止宿主星系的恆星形成。儘管相當少見，但在早期宇宙中，這種大小的星系還是存在足夠數量的。

《自然天文學》發布的最新研究，由愛爾蘭都柏林大學的博士後研究生John Regan領導，使用哥倫比亞大學的Greg Bryan所開發的計算機軟體對該過程進行建模，其中包含了引力、流體動力學、化學和輻射的影響。

研究者們花了若干天時間在超級計算機上處理數字，他們發現，這個「附近的星系」可以比此前預測的更小一些、更近一些。喬治亞理工大學天體物理系副教授、論文的合著者John Wise 說：「附近的星系不能靠得太近，也不能離得太遠，就像金髮姑娘原則一樣。」

雖然在成熟宇宙中的大多數星系中心發現了超大質量黑洞，但在宇宙的嬰兒期，超大質量黑洞卻並不這樣常見。

研究人員希望在美國宇航局的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡（哈勃望遠鏡的繼任者）明年上線並帶回早期宇宙的圖像時測試他們的理論。

其他有關早期宇宙巨獸演化的模型包括，數百萬個較小黑洞和恆星的合併形成超大質量黑洞等，這個模型也有待測試。

Regan 說，「了解超大質量黑洞是如何形成的，可以告訴我們星系是如何形成和演化的，最終告訴我們更多有關宇宙的奧秘。」

部分參考資料來自：

Radiation from Nearby Galaxies Helped Fuel First Monster Black Holes, Says Study

論文網址：

Rapid formation of massive black holes in close proximity to embryonic protogalaxies

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