卡耐基-梅隆大學(xué)的研究人員通過計(jì)算機(jī)模擬發(fā)現(xiàn)，稀薄冷氣體不受控制地流入首批黑洞的中央，使黑洞能夠快速成長，從而形成了宇宙早期的超大質(zhì)量黑洞。相關(guān)研究發(fā)布在《天體物理學(xué)快報(bào)》雜志上。

在宇宙大爆炸發(fā)生后的7—8億年，多數(shù)天體質(zhì)量都很小，第一代恒星和星系才剛開始在宇宙中的不同地域孤立地形成、成長。根據(jù)天體物理學(xué)理論，在這一時(shí)期發(fā)現(xiàn)的黑洞也應(yīng)該很小，與所處星系的比例相稱。然而，斯隆數(shù)字巡天（SDSS）近期的觀測表明，事實(shí)正好相反，早在大爆炸后的7億年，超大質(zhì)量黑洞就已存在。

卡耐基-梅隆大學(xué)物理學(xué)副教授魯珀特-克羅夫特說：“單從星系和黑洞形成的方程式上分析，確實(shí)不可能那么早就形成這些超大質(zhì)量黑洞，但它們卻存在著。”同為物理學(xué)副教授的孜阿納-迪-馬特奧也表示：“這是一個(gè)謎團(tuán)，雖然這些超大質(zhì)量黑洞的年齡不足10億年，但它們的大小卻與當(dāng)今最大質(zhì)量黑洞相當(dāng)，而最大的黑洞已有136億年高齡。”

為找出這些超大質(zhì)量黑洞的成因，科研人員進(jìn)行了迄今最大規(guī)模的宇宙模擬。他們基于宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的設(shè)定，側(cè)重于模擬重現(xiàn)宇宙大爆炸后的最早10億年。此次的計(jì)算機(jī)模擬利用超級(jí)計(jì)算機(jī)完成，并由GigaPan時(shí)間機(jī)技術(shù)組合成圖像。這一技術(shù)允許研究人員以極高的分辨率，如同看錄像一般，觀察對(duì)于早期宇宙的模擬。這能夠支持他們按時(shí)間需要，輕易地移動(dòng)宇宙的模擬圖像，同時(shí)還能對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行放大，獲取望遠(yuǎn)鏡才能看到的相關(guān)細(xì)節(jié)。

在將關(guān)注點(diǎn)移向首批超大質(zhì)量黑洞時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)了一些不同尋常的細(xì)節(jié)。通常情況下，當(dāng)冷氣體流向黑洞時(shí)，它將和星系周圍的其他氣體發(fā)生碰撞，在進(jìn)入黑洞前氣溫上升，隨后再逐漸冷卻。這一過程被稱之為“激波加熱”，其能有效制約黑洞的增長速度，避免生成超大質(zhì)量黑洞。然而科研人員卻發(fā)現(xiàn)，在模擬中，稀薄的冷氣體流會(huì)沿賦予宇宙結(jié)構(gòu)的旋線流淌，隨后以極高的速度直接流入黑洞的中央，為黑洞奉上一道“冷快餐”。而正是這種不受控的消耗，導(dǎo)致了黑洞大小的指數(shù)增長。

由于黑洞形成的同時(shí)星系也在成形，因此這一成果能夠?yàn)殛U明第一代星系的形成奠定基礎(chǔ)，并為破譯宇宙的形成提供更多線索。下一步，科研團(tuán)隊(duì)還將嘗試更大規(guī)模的宇宙模擬，力圖涵蓋更多的空間和時(shí)間段