新研究解开了大质量黑洞诞生的关键谜团

大质量黑洞的诞生

这张图片显示了一群年轻星系中的暗物质晕的内部30光年。旋转气体盘分为三块块,在其自身的重力下塌陷以形成超态恒星。学分:John Wise,佐治亚理工学院

当宇宙还是一个婴儿——不到10亿岁——它的一些恒星变成了巨大的黑洞。天文学中的一个关键谜题是:为什么在早期宇宙中会有这么多超大质量黑洞?

一项新的研究,通过资金提供资金美国国家航空航天局美国国家科学基金会(National Science Foundation)和欧洲委员会(European Commission)的一项资助表明,当星系迅速形成时,大质量黑洞会蓬勃发展。要形成一个星系,你需要恒星,它们从气团中诞生,但也需要一种无形的物质,即暗物质,它起到了粘合剂的作用,阻止恒星飞离星系。如果暗物质的“晕”结构在其生命早期迅速增长,恒星的形成就会受到抑制。而不是一个巨大的黑洞可以在银河系形成之前形成。黑洞贪婪地吃掉会产生新的恒星的气体,并变得更大。

早期宇宙中大质量黑洞的诞生

此形象显示了文艺复兴时期仿真的30,000个轻微的区域,以群群在加热周围气体的同时产生辐射(白色)和金属(绿色)。在这个加热区域外的暗物质晕形成了三个超大星(Inset),每一个超过1000倍的太阳质量。星星将迅速倒入大规模的黑洞,最终超大的黑洞,数十亿多年。学分:高级可视化实验室,国家超级计算应用中心。

此前,科学家理论大中来自其他星系的强大辐射静音在这些年轻地区的恒星中形成巨大的黑洞。但新的模拟表明,星系的快速增长是生长黑洞的关键。

黑洞是一种密度极高的天体,任何东西都无法逃脱,即使是光。当一颗恒星在超新星中爆炸时,会留下一个黑洞。另一种选择是,超大质量的恒星可以迅速燃烧其燃料,然后变成黑洞,不需要爆炸。科学家们说,这就是许多大质量黑洞在快速聚集的原星系中形成的方式。

基于模拟的研究,在2013年1月23日报道中,也发现宇宙中的大规模黑洞比以前的想法更常见。

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从宇宙中第一个大规模的黑洞释放的光是如此强烈,可以在整个宇宙中到达望远镜。令人难以置信的是,来自最遥远的黑洞(或Quasars)的光线已经前往我们超过130亿美元的轻微青年。但是,我们不知道这些怪物黑洞是如何形成的。

该研究提供了一种解决这一宇宙谜语的新且非常有前途的大道。该团队表明,当星系组装极快地组装 - 有时剧烈 - 可能导致形成非常大量的黑洞。在这些稀有星系中,正常的星形成被破坏,黑洞形成接管。

新的研究发现,大质量黑洞形成于密度高、没有恒星的区域,这些区域正在迅速增长,这颠覆了长期以来人们所接受的观点,即大质量黑洞的形成仅限于受到附近星系强大辐射轰炸的区域。这项基于模拟的研究的结论发表在1月23日的《自然》杂志上,该研究得到了美国国家科学基金会、欧盟和美国宇航局的资助。研究还发现,大质量黑洞在宇宙中比以前认为的要普遍得多。

The key criteria for determining where massive black holes formed during the universe’s infancy relates to the rapid growth of pre-galactic gas clouds that are the forerunners of all present-day galaxies, meaning that most supermassive black holes have a common origin forming in this newly discovered scenario, said John Wise, an associate professor in the Center for Relativistic Astrophysics in Georgia Tech’s School of Physics and the paper’s corresponding author. Dark matter collapses into halos that are the gravitational glue for all galaxies. Early rapid growth of these halos prevented the formation of stars that would have competed with black holes for gaseous matter flowing into the area.

“在这项研究中,我们已经发现了一种完全新的机制,它引发了特别是暗物质晕的巨大黑洞的形成,”明智说。“而不是考虑辐射,我们需要看看Halos生长的速度。我们不需要那么多的物理来理解它 - 只是如何分布暗物质以及重力会影响这一点。形成巨大的黑洞需要在具有强烈的物质融合的稀有区域中。“

John Rean表示,当研究团队在模拟中发现这些黑洞形成网站时,他们首先陷入了困难的时候,都柏林城市大学的Astrophysics inderce Centrence的研究员。先前接受的范式是,在暴露于高水平的附近辐射时,巨大的黑洞只能形成。

“以前的理论表明,只有在遗址暴露于高水平的明星形成杀害辐射时,这应该只发生这种情况。”他说。“当我们深入了解时,我们看到这些网站正在进行一段极快的增长。那是关键。快速组装的暴力和动荡性质,在银河系的诞生期间,银河系的基础的剧烈崩溃阻止了正常的星形形成,并导致了黑洞形成的完美条件。这项研究改变了之前的范式,并开辟了一个全新的研究领域。“

加州大学圣地亚哥分校(UC San Diego)圣地亚哥超级计算机中心(San Diego Supercomputer Center)主任迈克尔·诺曼(Michael Norman)是这项研究的作者之一,他说,早期的理论依赖于来自附近星系的强烈紫外线辐射,以抑制形成黑洞的光晕中恒星的形成。他解释说:“虽然紫外线辐射仍然是一个因素,但我们的工作已经表明,它不是主要因素,至少在我们的模拟中是这样。”

该研究是基于文艺复兴的模拟套件,在2011年和2014年之间的蓝色水域超级计算机上创建了一个70-terabyte数据集,以帮助科学家了解宇宙在早期宇宙的发展方式。为了了解有关大规模黑洞可能发展的特定区域,研究人员检查了模拟数据,发现了十个特定的暗物质晕,应该赋予群众,但仅包含致密的气体云。使用StampEde2超级计算机,然后他们重新模拟了其中的两个晕 - 每个大约2,400个光年 - 在更高的分辨率上,了解在2700万年后发生的事情的细节大爆炸

“只有在宇宙中密度过高的区域,我们才看到了这些黑洞的形成,”Wise说。“暗物质产生了大部分的引力,然后气体落入这种引力势中,在那里它可以形成恒星或大质量黑洞。”

文艺复兴时期模拟是最早的最综合模拟的原始气体的最早阶段的阶段,由氢气和氦气和冷暗物质,导致第一颗恒星和星系的形成。它们使用称为自适应网格细化的技术,以放大形成恒星或黑洞的密集团块。此外,他们涵盖了早期宇宙的足够大的区域,以形成数千个物体 - 如果一个人对罕见的物体感兴趣,就像这里一样。“诺曼说:”全都需要“全部需要高分辨率,丰富的物理和倒塌的倒塌样本”。

对两个候选区域进行的模拟的分辨率得到了提高,这使得科学家可以看到黑洞前体开始凝结和旋转时产生的湍流、气体流入和物质团块。它们的增长速度是惊人的。

“天文学家观察到8亿年的百万太阳能群体的超现代黑洞,”明智说。“这样做需要在该地区的群众浓缩浓缩。你会期待在周到在早期形成星系的地区。“

研究的另一个方面是,生育黑洞的晕可能比以前认为的黑洞更常见。

密歇根州立大学(Michigan State University)教授布莱恩·奥谢(Brian O 'Shea)表示:“这项工作中令人兴奋的部分是发现了这些类型的晕,尽管很罕见,但可能已经足够常见了。”“我们预测,这种情况会发生得足够多,成为目前观测到的最大质量黑洞的起源,无论是在宇宙早期还是在现在的星系中。”

使用这些模拟的未来工作将看看这些大规模的黑洞形成星系的生命周期,研究了在时间的第一个巨大的黑洞的形成,生长和演化。“我们的下一个目标是探讨这些异国情调的进一步发展。今天这些黑洞在哪里?我们可以在本地宇宙中检测他们的证据吗?引力波?“瑞士询问。

为了得到这些新答案,研究团队和其他人可能会回到模拟中。

“文艺复兴时期模拟足够丰富,可以使用已经计算的数据进行了其他发现,”诺曼说。“由于这个原因,我们在SDSC创建了一个名为称为文艺复兴的模拟实验室的公共档案,其他人可以追求自己的问题。”

出版物:John H. Wise等,“在迅速生长的银河汽云中形成巨大的黑洞,”2019年(自然)

3评论关于“新研究解开大质量黑洞诞生之谜”

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  2. 暗物质是一个超负子,填补了空白的空间,强烈地与普通物质相互作用,并被普通物质取代。作为弯曲的时空的几何上称为几何形状的内容作为超载暗物质的位移状态。超负沙物暗物质的位移状态是重力。

    由星系口吹回来的超亮粒子的暗物质推动,使星系的外臂中的恒星以它们所做的速度轨道的轨道。

    流离失所的超糖暗物质是弯曲的时空。

  3. 终于!明确的证据表明宇宙的年龄超过137亿年!

    黑洞是达到生命周期结束的星星。这是一个很熟悉的事实。一个将崩溃到黑洞的星的平均年龄约为8亿年。

    因此,通过我们探测到一个超过70亿光年的黑洞,可以明确地证明宇宙比140亿光年大得多(80亿光年加70亿光年大于140亿光年)!

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