超级计算机模拟揭示了超大质量黑洞的新起源

时间：2022-02-06 19:58:02来源：

艺术家对超大质量恒星形成的印象，这些恒星演变成超大质量黑洞。

日本东北大学天体物理学家进行的计算机模拟揭示了一种有关超大质量黑洞起源的新理论。在这个理论中，超大质量黑洞的前兆不仅吞噬星际气体，而且吞噬较小的恒星，从而使其生长。这有助于解释当今观察到的大量超质量黑洞。

模拟快照显示了黑洞形成时物质在宇宙中的分布（顶部）和产生黑洞的气体云的密度分布（底部）。

现代宇宙中几乎每个星系的中心都有一个超大质量的黑洞。它们的质量有时可以达到太阳质量的100亿倍。但是，它们的起源仍然是天文学的重大奥秘之一。一种流行的理论是直接坍缩模型，在该模型中，星际气体的原始云在自重作用下坍塌，形成超大质量的恒星，然后演变成超大质量的黑洞。但是以前的研究表明，直接塌陷仅对仅由氢和氦组成的原始气体起作用。较重的元素（例如碳和氧）改变了气体动力学，导致坍缩的气体分裂成许多较小的云，这些云形成了自己的小恒星，而不是一些超大质量的恒星。仅凭原始气体直接崩塌并不能解释当今所见的大量超大质量黑洞。

黑点表示大质量的恒星，白点表示小质量的恒星。在气团云的中心形成大量恒星的同时，周围的气体剧烈破裂也形成了许多较小的恒星。许多较小的恒星随着气体的流动而移动，并与大质量恒星合并。

日本科学促进会和东北大学博士后研究员Sunmyon Chon及其团队使用日本超级计算机“ ATERUI II”的国家天文台进行长期3D高分辨率模拟，以测试超大质量恒星的可能性甚至会在富含重元素的气体中形成。由于模拟气体剧烈分裂的计算成本，很难模拟包括重元素的气体云中的恒星形成，但是计算能力的进步，尤其是2018年投入使用的“ ATERUI II”的高计算速度，使得该团队得以开展工作。克服这一挑战。这些新的模拟使得更详细地研究气体云中恒星的形成成为可能。

模拟快照显示了产生黑洞的气体云的密度分布。p中心附近的黑点代表大质量的恒星，被认为会随着时间演变成黑洞。白点表示小于10太阳质量的恒星，是由气体云的碎片形成的。许多较小的恒星与中央的超大质量恒星合并，使大质量恒星高效生长。

与先前的预测相反，研究小组发现，仍然可以从富含重元素的气体云中形成超大质量恒星。正如预期的那样，气体云猛烈分解，形成了许多较小的恒星。但是，有大量气体流向云的中心。较小的恒星被这种流动拖曳，并被中央的大质量恒星吞没。模拟结果形成了一颗质量比太阳大10,000倍的恒星。“这是我们第一次展示在富含重元素的云中形成如此大的黑洞前体的过程。我们相信，这样形成的巨星将继续生长并演化成一个巨大的黑洞。” Chon说。

在模拟包含重元素的气体云时形成的恒星质量分布。在这项研究中，计算了第一批恒星形成后大约10,000年的演化。重元素（例如碳和氧）的存在会导致气体云剧烈破裂，从而导致在一个太阳质量附近出现峰值分布。另一方面，也将同时形成质量是太阳质量10,000倍的超大质量恒星。人们认为，超大质量恒星将在质量上进一步增长，并最终演变成超大质量黑洞。

这个新模型表明，不仅原始气体，而且包含重元素的气体也可以形成巨大的恒星，这是黑洞的种子。东北大学教授Kazuyuki Omukai说：“我们的新模型比以前的研究能够解释更多黑洞的起源，并且这一结果导致人们对超大质量黑洞的起源有了统一的认识。”

该结果在2020年5月的《皇家天文学会月刊》中以Chon和Omukai的著作“通过在富金属的小云中通过超级竞争性积聚形成超大质量的恒星而形成”。