超大質量黑洞是通過吞噬氣體和整個恆星演變而來

2020-12-03 西瑪帶你看世界

今天的宇宙中的超大質量黑洞是通過消耗氣體和整個恆星而成長起來的。它們從何而來?那些讓天體物理學家和我們都感到困惑的令人迷惑的奇點。

當然，我們了解恆星質量黑洞背後的過程，以及它們是如何在恆星的引力坍縮中形成的。但那些位於星系中心的巨型星系又該怎麼辦呢?那些超大質量黑洞(SMBH)的質量可以達到太陽質量的數十億倍。它們是怎麼變得這麼大的?很明顯，超大質量黑洞一開始並沒有那麼大，他們必須成長。

從廣義上講，只有兩種方式可以發生:一個巨大的恆星起源形成，隨著時間的推移通過合併和消費，它變得足夠大，有一天成為一個超大質量黑洞。問題是，研究表明，這些巨大的黑洞形成的條件是罕見的，並不能解釋天文學家在那裡看到的大量的存在，每個大星系的中心都有一個。

一篇新論文的作者認為，通過使用一臺強大的超級計算機，他們已經找到了答案。「與之前的研究相比，我們的新模型能夠解釋更多黑洞的起源……」這篇論文的題目是「在略微富含金屬的雲層中通過超級競爭吸積形成超大質量恆星」。這篇論文的第一作者是Sunmyon Chon，他是日本科學促進協會(Japan Society for the Promotion of Science)和東北大學(Tohoku University)的博士後研究員。這篇論文發表在《皇家天文學會月報》上。

超大質量黑洞的一個問題是它們數量太多了。天文學家非常肯定在所有大型星系的中心都有一個。它們是如何從一顆坍縮的恆星變成如此巨大的星體的呢?美國宇航局的斯皮策太空望遠鏡捕捉到這張令人驚嘆的銀河系中心的紅外圖像，那裡是黑洞射手座所在的地方。這項新研究的作者認為，作為SMBHs前身的恆星可以在比之前認為的更廣泛的條件下形成。他們的理論認為，這些前體恆星不僅通過吸積星際氣體而成長，還通過吞食其他較小的恆星而成長。「

與之前的研究相比，我們的新模型能夠解釋更多黑洞的起源，這個結果導致了對超大質量黑洞起源的統一理解，」東北大學教授、該研究的合著者Kazuyuki Omukai說。一切都始於巨大的星際氣體雲。在這些雲內部，由於自身引力的作用，大質量的恆星可以形成。這些祖恆星最終會演化成超大質量黑洞。這項新研究中使用的「ATERUI 2」超級計算機屬於日本國家天文臺(NAOJ)。它有40,200個核，可以執行超過3千兆次浮點運算。但這有一個問題。研究表明，直接坍塌的情況只會發生在金屬豐度低的雲層中，沒有比氫和氦更重的元素。氧和碳等重元素的存在改變了氣體雲的動態。金屬冷卻氣體雲，當氣體自我坍塌時，它分裂成更小的雲。這些更小的雲會形成更小的恆星，而不是質量大到足以成為超大質量黑洞的前身。 所以這些原始氣體雲的直接坍塌並不能解釋我們在星系中心看到的所有超大質量黑洞。

Chon的團隊使用一臺強大的超級計算機來解決這個問題。這臺計算機被稱為「ATERUI II」，由日本國家天文臺(NAOJ)操作。正如該團隊在一份新聞稿中所說，他們進行了長期的「3D高解析度模擬，以測試超大質量恆星甚至可以在富含重元素的氣體中形成的可能性」。來自ATERUI 2模擬黑洞的圖像。

圖中心附近的黑點代表大質量恆星，它們被認為在時間上演化成黑洞。這些白點代表的恆星質量小於10個太陽，是由氣體雲碎片形成的。許多較小的恆星與中心的超大質量恆星合併，使得大質量恆星得以有效地成長。根據這次模擬，以前的研究部分是正確的。如果有足夠的金屬豐度來冷卻它們，這些巨大的氣體雲仍然會破碎，從而形成許多較小的恆星。但Chon的模擬表明，碎裂不足以阻止大質量恆星的形成。他們的工作表明，強烈的氣體流向星雲中心，吸引較小的恆星，並被中心的大質量恆星吞噬。這樣，儘管星雲破碎並形成了更小的恆星，高金屬豐度氣體雲仍然可以形成質量足夠大的恆星，成為超大質量黑洞的前身。它們足夠大的部分原因是通過吞噬較小的恆星。該研究的另一個數據。這張圖顯示了大質量恆星的質量是通過什麼機制獲得的。紅色區域代表氣體吸積的增長，綠色區域代表大於100個太陽質量的大質量恆星合併的質量增長，藍色區域代表小於100個太陽質量的小恆星合併的質量增長。「這是我們第一次展示在富含重元素的雲中形成如此巨大的黑洞前體。

我們相信，由此形成的巨星將繼續成長並演化成一個巨大的黑洞。Chon的模擬還導致了一顆恆星的形成，其質量是太陽的1萬倍。這樣大質量的恆星肯定大到足以成為超大質量黑洞的前身。這項研究的數據顯示了ror星從坍塌的那一刻到300年和600年之間的增長。在模擬中，不同的行代表不同的金屬豐度濃度。最上面的一行表示沒有金屬豐度的雲，金屬豐度隨著我們往下移動而增加。與之前的研究相比，這次模擬表明，即使是在金屬豐度更高的氣體雲中，仍然可以形成大質量的祖恆星。黑點代表大質量的星星，白點代表較小的星星。

正如作者在他們的論文中所寫的，「即使產生了碎片。隨著塵埃冷卻，它們隨著流入的氣體移動，最終與中心恆星合併。因此，主要恆星質量的增長几乎與雲的金屬豐度無關……」巨星是我們在幾乎所有大星系中看到的超大質量黑洞的前兆。這項研究通過強大的模擬顯示，這些前體恆星更容易在氣體雲中形成，金屬豐度比之前的研究顯示的要高。如果它經得起更多的科學推敲，我們可能會對天文學中最引人注目的問題之一找到答案:星系中心巨大的超大質量黑洞從何而來?

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