天文学家发现“直接塌陷黑洞”的证据

基于超级计算机模拟宇宙环境的图像，原始气体直接坍缩成黑洞。气体沿着暗物质的细丝流动，这些暗物质形成了连接早期宇宙结构的宇宙网。在这些暗物质细丝的相交处形成了第一个星系。亚伦·史密斯/ TACC / UT-奥斯丁

一项新发表的研究详述了莱曼源CR7中直接塌陷黑洞α的证据。

得克萨斯大学奥斯汀分校的天文学家亚伦·史密斯（Aaron Smith）和沃尔克·布洛姆（Volker Bromm）与哈佛-史密森尼大学天体物理学中心的阿维·勒布（Avi Loeb）合作，发现了证据，证明在宇宙的最早期就产生了一种不寻常的黑洞。他们表明，最近发现的不寻常的强辐射源可能是由“直接坍塌的黑洞”提供动力的，这是理论家在十多年前预测的一种物体。

他们的工作发表在《皇家天文学会月刊》上。

布罗姆说：“这是一个宇宙奇迹，”他指的是大爆炸发生后半个世纪出现的精确条件，这些条件使这些庞然大物出现了。形成条件是“这是宇宙历史上唯一一次条件恰到好处的时间”。

这些直接塌陷的黑洞可能是天文学长期存在的难题的解决方案：超大质量黑洞是如何在宇宙的早期形成的？有它们存在的有力证据，因为它们需要为年轻宇宙中检测到的高发光类星体提供动力。但是，有几个问题应该阻止它们的形成，并且常规的生长过程太慢了。

天文学家认为，他们知道在当今时代，大多数星系的心脏中如何生长着重达数百万个太阳的超大质量黑洞。它们从一个“种子”黑洞开始，这个黑洞是由一颗巨大的恒星坍塌而形成的。这个种子黑洞的质量约为100个太阳。它从周围吸入气体，变得更大，最终可能与其他种子黑洞合并。这整个过程称为吸积。

吸积理论不能解释极远的类星体中的超大质量黑洞。尽管距离我们数十亿光年，但我们仍然可以看到它，类星体令人难以置信的亮度来自于物质旋转成一个超大质量的黑洞，加热到数百万度，并产生了喷发的光束，像灯塔一样在整个宇宙中发光。

这些早期星系可能包含大爆炸之后产生的第一代恒星。尽管这些恒星可能坍塌形成黑洞，但它们不能用作早期类星体种子。黑洞没有周围的气体供气。这些气体被新近形成的炽热恒星的风吹走了。

布罗姆说：“恒星形成是在早期星系中形成巨大黑洞的敌人”。“恒星产生的反馈会吹走周围的气体云。”

几十年来，天文学家一直将此难题称为“类星体问题”。

2003年，布罗姆（Bromm）和勒布（Loeb）提出了一个理论构想，即通过抑制恒星形成中禁止的能量输入，使早期星系形成超大质量的种子黑洞。天文学家后来称此过程为“直接坍塌”。

布罗姆说，从“氢和氦的原始云团开始，在紫外线辐射的海洋中弥漫着”。“您在暗物质光晕的引力场中挤破了这朵云。通常，云将能够冷却并破碎形成恒星。但是，紫外线光子使气体保持高温，从而抑制了任何恒星的形成。这些是理想的，近乎奇迹的条件：崩溃而不会破碎！随着气体变得越来越紧凑，最终您将有一个巨大的黑洞的条件。”

这组宇宙条件对宇宙历史上的时间段非常敏感-这个过程在当今的星系中不会发生。

勒布说：“在早期宇宙中观察到的类星体就像满是正常婴儿的分娩室里的巨型婴儿。剩下的一个问题是：培育这些巨大婴儿的环境有什么特别之处？通常，附近的银河系（如银河系）中的冷气储集层主要由恒星形成消耗。

他说：“当布罗姆当我的博士后（在哈佛大学时，我们提出的理论表明，第一代星系的条件是不同的”）。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，最终坍塌成了一个种子黑洞。因此，在这些环境中，气体被用来喂养该种子黑洞，而不是制造许多正常的恒星。

Bromm和Loeb于2003年发表了他们的理论。“但是那全是理论性的，”布罗姆说。

快进了12年，Bromm现在是德克萨斯大学奥斯汀分校的教授，拥有博士后和自己的研究生。那就是亚伦·史密斯进来的地方。

史密斯，布罗姆和勒布开始对一个名为CR7的星系感兴趣，该星系是从哈勃太空望远镜的一项名为COSMOS的调查中发现的（由莱顿大学的乔里特·马修（Jorryt Matthee）领导）。哈勃望远镜在大爆炸之后的10亿年里监视了CR7。

里斯本大学的戴维·索布拉尔（David Sobral）使用一些世界上最大的地面望远镜，包括凯克（Keck）和VLT，对CR7进行了后续观测。这些发现了来自CR7的灯光签名中的一些极其不寻常的功能。具体来说，光谱中的某个氢线（称为“ Lyman-alpha”）比预期的要亮好几倍。值得注意的是，该光谱还显示出异常明亮的氦线。

史密斯说：“无论驱动该源的是什么，都非常热-足以使氦离子化。”

布罗姆同意了。他说：“要使其达到100,000 K –非常热，非常坚硬的紫外线源”。

频谱中的这些和其他异常特征，例如，没有检测到比氦重的元素（以天文学术语，“金属”表示）的任何谱线，以及源的距离（因此也就是它的宇宙历元），意味着它可能是一团原始恒星或可能由直接坍塌形成的超大质量黑洞。

Smith在UT奥斯汀的德克萨斯高级计算中心使用Stampede超级计算机对这两种情况进行了仿真。

Smith说：“我们开发了一种新颖的代码。”他解释说，他的代码对系统的建模与以前的模拟不同。

“旧模型就像快照；这就像一部电影。”他解释说。

布罗姆说，史密斯所使用的建模类型称为“辐射流体动力学”。“就计算机处理能力而言，这是最昂贵的方法。”

不过，新代码已获得回报。史密斯说，星团场景“明显失败了”，而直接坍缩黑洞模型表现良好。

布罗姆说，他们的工作不仅仅是了解一个早期星系的内部工作原理。

“对于CR7，我们有一个有趣的发现。我们正在尝试对其进行解释，并预测将来会发现什么。我们正在努力提供一个全面的理论框架。”

除了史密斯（Smith），布罗姆（Bromm）和勒布（Loeb）的工作之外，美国国家航空航天局（NASA）最近宣布，根据钱德拉X射线天文台的观测结果，发现了另外两个直接塌陷的黑洞候选者。

史密斯说，天文学家似乎正在“收敛于这种模型”，以解决类星体的种子问题。