宇宙初期超質量黑洞和星系是如何從崩塌的氣體雲形成

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一個在宇宙初期高密度地區的暗物質細絲(dark matter filaments)網路的模擬。每一個密集的亮點,是進入氣體崩塌形成大星系和超質量黑洞(supermassive black hole)的一個暗物質暈圈(halo)。2015 Kentaro Nagamine, Osaka University

模擬,第一次明確地揭露,這些黑洞如何在大爆炸後的7億年形成。

在接近所能看到的宇宙邊緣,是一些曾被觀察到的最明亮天體,叫做類星體(quasar),據信是包含有一些質量超過太陽10億倍的超質量黑洞(supermassive black hole)。由大阪大學(Osaka University)地球與太空科學系(Department of Earth and Space Science)的Kentaro Nagamine、肯塔基大學(University of Kentucky)的Isaac Shlosman和同事們所做的模擬,第一次明確地揭露這些黑洞如何在大爆炸後的7億年形成。

Nagamine解釋:「宇宙初期是一個密集的、高熱的、和均勻的電漿(plasma)。當它冷卻時,質量分布(mass distribution)的變動會在因為引力而聚集的物質周圍形成種子,這些是最初恆星的起源。類似的過程可能在稍後為更大結構的發展播種,像是超質量黑洞。

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直到最近,許多研究人員思索著超質量黑洞是由一些最初恆星的崩塌所播種。但幾組的模型研究認為這個過程只會導致小的黑洞。Nagamine和同事們模擬一個不同的情況,超質量黑洞是由掉進暗物質(dark matter)創造的位井(potential well)的氣體雲所播種。看不見的物質,天文學家相信是組成高達85%的宇宙質量。

模擬巨大氣體雲的動態是極度的複雜。因此,研究小組必須使用一些數字上的手法,叫做’下沉粒子(sink particle)’,來簡化這個問題。

Nagamine解釋:「雖然我們有使用在大阪大學虛擬媒體中心(Cybermedia Center)和日本國家天文臺(National Astronomical Observatory of Japan)的一些非常強大的超級電腦,我們無法模擬每一顆單獨的氣體粒子。取而代之的是,我們使用下沉粒子來做出小空間規模的模型,這些模型如同周圍氣體演化般地成長。這允許我們模擬,比之前可能的時間規模,更為長的時間規模。」

研究人員發現,大部分他們模擬的種子粒子並沒有成長很多;除了一個地處中心的種子,在僅僅2百萬年快速成長超過太陽質量的2百萬倍,代表走向超質量黑洞一個可行的途徑。此外,當氣體自旋並且崩塌在地處中心的種子的周圍,它形成了兩個在過去不曾被觀察到的沒有排成一列的吸積盤(accretion disc)。

在其他最近的研究,Nagamine和同事們描述與超質量黑洞大約相同時間形成的巨大星系的成長。Nagamine說:「我們喜歡把能夠看見的時間邊界推向更早。」當NASA的James Webb太空望遠鏡預定在2018年發射,觀察遙遠的源頭,直接的氣體崩塌正在那裡發生。研究人員希望他們的模擬被真實的數據確定。

來源: Sciencedaily