早期宇宙促進了黑洞的生長

研究小組表示，答案在於早期宇宙嚴酷而混亂的條件。

梅努斯大學物理系博士生、該研究的主要作者達克薩爾·梅塔 (Daxal Mehta) 表示：“我們發現，早期宇宙中存在的混沌條件導致較小的黑洞在吞噬周圍物質的瘋狂進食後成長為我們後來看到的超大質量黑洞。”

大爆炸後的快速增長

利用先進的計算機模擬，研究人員重建了第一個黑洞形成後不久的行為方式。

“我們利用最先進的計算機模擬發現，第一代黑洞——大爆炸後幾億年誕生的黑洞——增長得令人難以置信，達到了太陽大小的數万倍。”

這些發現有助於解釋詹姆斯·韋伯太空望遠鏡令人費解的觀察結果，該望遠鏡發現了巨大的黑洞，其存在時間比許多理論預測的要早得多。

“這一突破揭示了天文學中最大的謎團之一，”研究小組成員、密蘇里大學博士後研究員路易斯·布魯爾博士說。 “正如詹姆斯·韋伯太空望遠鏡所觀察到的那樣，起源於早期宇宙的黑洞能夠如此迅速地達到如此巨大的尺寸。”

黑洞瘋狂進食

模擬表明，密集、富含氣體的早期星係是這種快速增長的主要驅動力。在這些環境中，黑洞通過稱為愛丁頓超級吸積的過程經歷了短暫但劇烈的增長。當黑洞吸入物質的速度比傳統物理學表明的速度快時，就會發生這種情況。

在正常情況下，落入材料的輻射會將氣體推走。然而，在早期宇宙中，儘管存在這種限制，黑洞仍以某種方式繼續進食，使它們能夠以驚人的速度獲得質量。

這一過程似乎在宇宙中第一批恆星與後來在星系中心看到的超大質量黑洞之間提供了久違的聯繫。

重新審視黑洞起源

達克薩爾·梅塔說：“以前人們認為這些微小的黑洞太小，無法成長為在早期星系中心觀察到的巨型黑洞。” “我們在這裡展示的是，這些早期黑洞雖然很小，但在適當的條件下能夠以令人難以置信的速度增長。”

天文學家將早期黑洞分為兩大類，即“重種子”和“輕種子”。光種子黑洞一開始的質量相對較小，約為太陽質量的十到幾百倍。要變得巨大，它必須隨著時間呈指數級增長，最終達到數百萬太陽質量。

相比之下，重種子黑洞被認為非常大，重量可能達到誕生時太陽質量的 100,000 倍。

挑戰舊假設

到目前為止，許多科學家認為只有大質量種子黑洞才能解釋早期宇宙中超大質量黑洞的存在。

“我們現在還不確定，”密歇根大學物理系、研究小組負責人約翰·裡根博士說。 “重種子有點更奇特，可能需要罕見的條件才能形成。我們的模擬表明，不同恆星質量的黑洞在早期宇宙中可能以極高的速度增長。”

結果表明，早期宇宙在形成大質量黑洞時比之前的假設更加動盪和多產。

裡根博士說：“早期宇宙比我們預期的更加混亂和動盪，黑洞的質量也比我們預期的要多得多。”

對未來太空任務的影響

除了重塑黑洞形成理論之外，這項研究還對即將建立的太空天文台具有影響。特別是，這可能會影響科學家對計劃於 2035 年發射的 ESA-NASA 聯合激光干涉儀太空天線 (LISA) 任務的期望。

裡根博士說：“該任務未來的引力波觀測也許能夠探測到這些小型、早期、快速增長的黑洞的合併。”

這些發現將為研究宇宙第一個黑洞提供一種強大的新方法，並確認這種快速增長的情景是否如模擬所暗示的那樣成為現實。