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天文学家发现“直接坍塌黑洞”的证据

更新时间:2018-05-15

基于对原始气体经历直接崩溃至黑洞的宇宙环境的超级计算机模拟的图像。气体沿着暗物质的细丝流动,在早期的宇宙中形成宇宙网络连接结构。第一个星系形成在这些暗物质丝的交叉处。 Aaron Smith / TACC / UT-Austin

em一项新发表的研究详细介绍了莱曼α源CR7中直接塌陷黑洞的证据。 / em

德克萨斯大学奥斯汀分校的天文学家Aaron Smith和Volker Bromm与哈佛 - 史密松天体物理中心的Avi Loeb一起发现了宇宙极早期出现的一种不寻常的黑洞证据。他们表明,最近发现的一种不寻常的强烈辐射源可能是由“直接坍塌的黑洞”驱动的,这是一种十多年前由理论家预测的对象。

他们的工作发表在“皇家天文学会月刊”上。

“这是一个宇宙奇迹,”布罗姆说,指的是在宇宙大爆炸后的五亿年内出现的一系列精确条件,允许这些庞然大物出现。 “这是宇宙历史上唯一一个当条件恰到好处”的时期。“

这些直接崩溃的黑洞可能是解决天文学长期存在的难题的解决方案:在宇宙的早期阶段,超大质量黑洞是如何形成的?有强有力的证据表明它们的存在,因为它们需要为在年轻宇宙中发现的高亮度类星体供电。然而,有几个问题应该阻止它们的形成,而传统的增长过程太慢了。

天文学家认为他们知道在我们现在的时代,大多数星系的核心在数百万个太阳的重量级黑洞中如何生长。他们从一颗“种子”黑洞开始,当一颗巨大的恒星崩溃时产生。这颗种子黑洞的质量约为100个太阳。它从周围环境中吸取气体,变得更加庞大,最终可能会与其他种子黑洞融合。整个过程称为增长。

增生理论并不能解释极端遥远的 - 因此年轻的类星体中的超大质量黑洞。尽管距离数十亿光年远,但我们可以看到,类星体的令人难以置信的亮度来自物质螺旋形成一个超大质量黑洞,加热到数百万度,创造了喷射在宇宙中的灯塔。

这些早期的星系可能包含了大爆炸后创建的第一代恒星。尽管这些恒星可以坍缩形成黑洞,但它们并不像早期的类星体那样工作。黑洞没有周围的气体供给。这种气体已经被新形成的新星形成的风吹走。

Bromm说,早期星系中“恒星形成是形成大量黑洞的敌人”。 “明星产生反馈,吹走周围的气体云。”

几十年来,天文学家把这个难题称为“类星体问题”。

在2003年,Bromm和Loeb提出了一个理论概念,通过抑制恒星形成的禁止性能量输入,使早期星系形成超大质量种子黑洞。天文学家后来将这一过程称为“直接崩溃”。

从一片“原始的氢气和氦气云开始,泛在紫外线的海洋中,”Bromm说。 “你在黑暗光环的引力场中碾碎了这片云。通常情况下,云能够冷却,并碎片形成星星。然而,紫外光子使气体保持高温,从而抑制了任何恒星形成。这些都是理想的,几乎不可思议的条件:崩溃而没有碎片!随着天然气变得越来越紧凑,最终你有了一个巨大的黑洞的条件。“

这套宇宙条件对宇宙历史的时间周期非常敏感 - 这一过程在今天的星系中不会发生。

勒布说,“在早期宇宙中观察到的类星体就像一个产房中的巨大婴儿,这个产房里充满了正常的婴儿。还有人想知道:培育这些巨大婴儿的环境有什么特别之处?典型地,像银河这样的附近星系中的冷气藏主要通过恒星形成而被消耗。

他说:“我们在博罗姆博士后[哈佛大学]时提出的理论表明,第一代星系的条件是不同的,”他说。 “这些星系并没有形成许多正常的恒星,而是在它们的中心形成了一颗超大质量恒星,最终坍缩为种子黑洞。因此,这些环境中的气体被用来喂这个种子黑洞,而不是制造许多普通的恒星。“

Bromm和Loeb在2003年发表了他们的理论。“但那是当时的理论,”Bromm说。

快进十几年了,Bromm现在是德克萨斯大学奥斯汀分校的教授,他拥有自己的博士后和研究生。这就是亚伦史密斯进来的地方。

Smith,Bromm和Loeb已经开始对称为CR7的星系产生兴趣,该星系是从哈勃太空望远镜调查中称为COSMOS(由莱顿大学的Jorryt Matthee领导的一篇论文)中确定的。哈勃在大爆炸后10亿年间就侦测到CR7。

里斯本大学的David Sobral利用包括Keck和VLT在内的世界上最大的地面望远镜对CR7进行了后续观测。这些发现了来自CR7的灯光特征中的一些非常不寻常的特征。具体而言,光谱中的某个氢线被称为“Lyman-alpha”,比预期的要亮好几倍。值得注意的是,这个频谱还显示了一个异常明亮的氦气线。

史密斯说:“无论是驱动这个来源的热源都足以使氦气离子化。”

布罗姆同意了。他表示,“你需要它达到10万K - 非常热,这是一个非常强大的紫外线源”。

光谱中的这些和其他不寻常的特征,例如没有任何来自重于氦的元素的探测线(以天文学术语,“金属”)以及源的距离 - 因此它的宇宙时代 - 意味着它可以是原始星团或可能由直接塌陷形成的超大质量黑洞。

Smith在UT Austin的德克萨斯高级计算中心使用Stampede超级计算机对两种情况进行了仿真。

“我们开发了一种新颖的代码,”Smith说,他解释说他的代码模拟的系统与之前的模拟不同。

“旧模型就像一个快照;这个就像电影,“他解释说。

史密斯使用的建模类型称为“辐射流体力学”,Bromm说。 “这是计算机处理能力方面最昂贵的方法。”

尽管如此,新的代码还清了。史密斯说,星团情景“非常失败”,而直接倒塌的黑洞模型表现良好。

布罗姆说,他们的工作不仅仅是了解一个早期星系的内部运作。

“有了CR7,我们有一个有趣的观察。我们正在试图解释它,并预测未来的观测结果。我们正在努力提供一个全面的理论框架。“

除了Smith,Bromm和Loeb的工作外,美国宇航局最近还宣布根据钱德拉X射线天文台的观测结果发现另外两个直接坍塌黑洞候选者。

史密斯说,似乎天文学家正在“聚合在这个模型上”,以解决类星体问题。

研究的PDF副本:Lymanα来源CR7中直接塌陷黑洞的证据

资料来源:哈佛 - 史密森天体物理中心

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