宇宙首個黑洞形成于食物匱乏的“饑餓狀態(tài)”

        這項計算機模擬是由科維理粒子天體物理學與宇宙學研究所天體物理學家馬賽爾－阿爾瓦瑞茲（Marcelo Alvarez）和托姆－亞伯（Tom Abel）等人運算完成的，之前的通俗觀點認為，宇宙早期的第一個黑洞是以氣體云和灰塵為食，最終增長成為特大質(zhì)量黑洞，潛伏在目前星系的中心區(qū)域。然而，這項最新研究顯示宇宙中第一個黑洞的誕生過程要更加復雜，該研究報告發(fā)表在《天體物理學期刊快報》上。


        亞伯說：“我感到興奮的是我們目前能夠模擬非常具體的物理學特征，我們能夠顯示這些理論是如何運行的，以及哪些理論是行不通的。在未來十年內(nèi)，我們使用類似的計算機模擬系統(tǒng)將能夠揭示關于宇宙黑洞的非常重要特性。


        為了獲得這項研究發(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黑洞，這項模擬起始于宇宙背景輻射（宇宙中最早期的結構）的觀測數(shù)據(jù)，研究人員應用基礎法則控制宇宙物質(zhì)的交互作用，使得早期宇宙的模擬過程能夠成為現(xiàn)實。在模擬實驗中，宇宙大爆炸殘留的氣體云在重力作用下緩慢進行合并，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，推動附近的氣體云遠離它們。然而這些恒星的壽命并不長久，它們很快就耗盡內(nèi)部燃料。這將導致其中某個恒星在自己的重量下崩潰，在宇宙中的空虛區(qū)域內(nèi)形成一個黑洞。在這個宇宙最早的黑洞周圍缺少宇宙物質(zhì)，使其在成長過程中一直處于缺乏食物的“饑餓狀態(tài)”。


        阿爾瓦瑞茲說：“宇宙早期由黑洞提供能量的類星體（具有極強的輻射性）質(zhì)量是太陽的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)增長成龐然大物的。我們將從天體物理學角度解釋這些最基礎的起源物質(zhì)。”早期宇宙存在超大質(zhì)量黑洞的一種推測性解釋是第一個黑洞通過重力吸引和吞并宇宙物質(zhì)，“播種”形成較大體積的黑洞。但是在最新的計算機模擬中，研究人員發(fā)現(xiàn)像以上的理論推測是行不通的，計算機模擬中的黑洞在1億年里僅增長原始質(zhì)量的1%。他還指出，，雖然計算機模擬實驗并未完全排斥這項理論，通過模擬觀測宇宙第一個黑洞存在近10億年的時間，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附近的氣體云，延遲之后恒星崩潰形成黑洞的成長速度，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驗中，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。來自X射線的附加熱量將導致氣體擴張遠離黑洞。


        由于X射線的加熱，將能有效地預防在數(shù)千萬年至數(shù)億年間附近的氣體崩潰形成恒星，因此，研究人員推測比普通氣體云更大體積的氣體云能有機會形成恒星，像這樣的超級氣體云可能最終在其重量下崩潰形成一個超大質(zhì)量黑洞。阿爾瓦瑞茲說：“雖然從宇宙物質(zhì)釋放的X射線落在宇宙第一個黑洞上可阻礙黑洞的未來成長，但通過抑制恒星形成，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行測試，確定這些理論觀點是否真實有效，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）來自美國宇航局戈德登太空飛行中心，他強調(diào)稱，這項研究很可能會使人們重新反思來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)，它們實際上可以影響星系的其他部分。（悠悠/編譯）