据美国物理学家组织网12月13日(北京时间)报道，卡耐基·梅隆大学的研究人员通过计算机模拟发现，稀薄冷气体不受控制地流入首批黑洞的中央，使黑洞能够快速成长，从而形成了宇宙早期的超大质量黑洞。相关研究发布在《天体物理学快报》杂志上。
在宇宙大爆炸发生后的7—8亿年，多数天体质量都很小，第一代恒星和星系才刚开始在宇宙中的不同地域孤立地形成、成长。根据天体物理学理论，在这一时期发现的黑洞也应该很小，与所处星系的比例相称。然而，斯隆数字巡天(SDSS)近期的观测表明，事实正好相反，早在大爆炸后的7亿年，超大质量黑洞就已存在。
卡耐基·梅隆大学物理学副教授鲁珀特·克罗夫特说：“单从星系和黑洞形成的方程式上分析，确实不可能那么早就形成这些超大质量黑洞，但它们却存在着。”同为物理学副教授的孜阿纳·迪·马特奥也表示：“这是一个谜团，虽然这些超大质量黑洞的年龄不足10亿年，但它们的大小却与当今最大质量黑洞相当，而最大的黑洞已有136亿年高龄。”
为找出这些超大质量黑洞的成因，科研人员进行了迄今最大规模的宇宙模拟。他们基于宇宙学标准模型的设定，侧重于模拟重现宇宙大爆炸后的最早10亿年。此次的计算机模拟利用超级计算机完成，并由GigaPan时间机技术组合成图像。这一技术允许研究人员以极高的分辨率，如同看录像一般，观察对于早期宇宙的模拟。这能够支持他们按时间需要，轻易地移动宇宙的模拟图像，同时还能对特定区域进行放大，获取望远镜才能看到的相关细节。
在将关注点移向首批超大质量黑洞时，他们发现了一些不同寻常的细节。通常情况下，当冷气体流向黑洞时，它将和星系周围的其他气体发生碰撞，在进入黑洞前气温上升，随后再逐渐冷却。这一过程被称之为“激波加热”，其能有效制约黑洞的增长速度，避免生成超大质量黑洞。然而科研人员却发现，在模拟中，稀薄的冷气体流会沿赋予宇宙结构的旋线流淌，随后以极高的速度直接流入黑洞的中央，为黑洞奉上一道“冷快餐”。而正是这种不受控的消耗，导致了黑洞大小的指数增长。
由于黑洞形成的同时星系也在成形，因此这一成果能够为阐明第一代星系的形成奠定基础，并为破译宇宙的形成提供更多线索。下一步，科研团队还将尝试更大规模的宇宙模拟，力图涵盖更多的空间和时间段。
自从美国的“钱德拉”X射线望远镜上了天，科学家发现黑洞的速度大大加快，对黑洞的观测资料也丰富多了。人们于是发现，超大质量黑洞在宇宙中比比皆是，而且极其古老。过去大家普遍认为，黑洞是星系发展到晚期才蜕变出来的，或者是星系相撞而成的。按照这个道理，宇宙的幼年不可能出现太大的黑洞；而新的计算机模拟图景却说明黑洞形成方式比我们想象的更多样。用超级计算机分析宇宙历史，无疑是一门前景广阔的学科。
科技日报 张巍巍
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