對於神秘莫測的黑洞，科學家的研究不斷深入。藉助「藍水」超級計算機「復興模擬」項目的數據，研究人員發現大質量黑洞可以在沒有恆星存在，但快速擴張的星系區域形成，尤其是暗物質光暈。據科學家預測，無論是在宇宙誕生之初還是當前的星系，絕大多數大質量黑洞的源頭都是暗物質光暈。
科學家模擬的年輕星系，在產生輻射（白色）和金屬（綠色）的同時加熱周圍氣體。暗物質光暈（插入圖）正在形成3個超大質量黑洞
在揭示早期宇宙如何演化出第一批大質量黑洞方面，科學家又往前邁進一步。雖然這些遙遠黑洞的光線非常強烈，足以被130億光年外的望遠鏡捕捉到，但它們如何形成仍是一個不解之謎。藉助「藍水」超級計算機70TB「復興模擬」項目的數據，研究人員發現大質量黑洞可以在沒有恆星存在，但快速擴張的星系區域形成。
藝術概念圖，銀河系的暗物質藍色光暈
喬治亞理工學院相對論天體物理學中心副教授約翰·維瑟表示：「研究中，我們發現了觸發黑洞形成按鈕的一種全新機制，尤其是在暗物質光暈。我們不能緊盯著輻射不放，還需要聚焦這些光暈的生長速度。我們不需要太多物理學研究就能了解這些光暈，只需要研究暗物質如何分布以及引力如何對它們產生影響。想要形成大質量黑洞需要身處一個罕見區域，即大量物質聚集的區域。」根據這項新研究，星系的快速擴張能夠導致黑洞形成。這顛覆了長久以來科學家普遍接受的假設，即這些區域會限制黑洞的生長能力。研究人員指出黑洞可能在暗物質光暈中形成。暗物質將星系聚合在一起。
超大質量黑洞周圍的物質雲
科學家此前認為黑洞只能在充斥著輻射的區域形成。都柏林城市大學天體物理學與相對論研究中心的約翰·里根表示：「此前的理論認為這種現象只能發生在暴露於扼殺恆星形成的高水平輻射環境。隨著研究的深入，我們發現這些區域會經歷一個極速生長階段。星系誕生階段的快速而猛烈的擴張以及物質的猛烈對撞，會阻止正常的恆星形成過程，進而為黑洞的形成創造完美條件。這項研究另闢蹊徑，開闢了一個全新的研究領域。」
藝術概念圖，一個被緻密氣體-塵埃盤環繞的星系中央超大質量黑洞
研究過程中，科學家使用了「復興模擬」項目2011年至2014年獲取的數據。他們發現10個本應該形成恆星，但只存在緻密氣雲的暗物質光暈。在Stampede2超級計算機的幫助下，研究小組對這些光暈進行了更高解析度的模擬，從而揭示了大爆炸後2.7億年所發生活動的空前細節。維瑟指出：「只有在宇宙的這些超緻密區域，我們才看到了大質量黑洞的形成。暗物質產生了絕大多數引力，氣體在引力的作用下墜落並不斷積聚，能夠形成大質量黑洞。」模擬結果顯示這些黑洞能夠以驚人的速度生長，不斷俘獲周圍的氣體和其它物質團並將它們壓縮。
藉助「復興模擬」項目的數據，研究人員發現大質量黑洞可以在沒有恆星存在，但快速擴張的星系區域形成
維瑟表示：「根據天文學家的觀測，超大質量黑洞的質量能夠在8億年內達到太陽的10億倍。這需要黑洞所在區域存在數量驚人的物質。宇宙誕生之初，這些區域就形成了星系。研究小組表示形成黑洞的暗物質光暈可能比此前認為的更為普遍。密西根州立大學教授布賴恩·奧希亞指出：「發現這些光暈是該研究的一項令人興奮的成果。它們雖然罕見，但可能比此前認為的普遍。根據我們的預測，無論是在宇宙誕生之初還是當前的星系，絕大多數大質量黑洞的源頭都是這些暗物質光暈。」
超大質量黑洞是星系中央的緻密區域，質量可達到太陽的數十億倍。它們能扭曲時空（如圖），甚至連光線也無法逃脫它們的引力
黑洞是一個怎樣的存在？
黑洞的密度極高同時擁有驚人的引力，任何形式的輻射都無法逃脫它們的魔爪，哪怕是光線。藉助超乎想像的引力，它們讓塵埃和氣體聚集在自己周圍。據信，黑洞的巨大引力就是星系中的恆星圍繞中心運轉的原因所在。但黑洞如何形成，科學家知之甚少。天文學家認為黑洞可能由規模可達到太陽10萬倍的氣體雲塌陷形成。在這些黑洞中，很多充當了更大黑洞的「種子」，通過碰撞合併形成超大質量黑洞。每一個已知大型星系的中央都潛伏著這樣的超級黑洞。另一種情況是，超大質量黑洞的「種子」來源於質量百倍於太陽的巨型恆星。燃料耗盡後，巨型恆星發生塌陷並形成黑洞。巨型恆星死亡時會發生超新星爆炸，將恆星外層的物質拋射到深空。
博科園-科學科普｜文：夏延·麥克唐納/漫步宇宙/qqtaikong
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