天体物理学家进行的最新计算机模拟，揭示了超大质量黑洞起源的新理论。在这一理论中，超大质量黑洞的前身不仅吞噬了星际气体，而且还吞噬了较小的恒星。这有助于解释观测到的大量超大质量黑洞。现代宇宙中几乎每个星系中心都有一个超大质量黑洞，这些超大质量黑洞质量有时可以达到太阳质量的100亿多倍。然而，超大质量黑洞的起源仍然是天文学重大谜团之一。
一种流行的理论是直接坍塌模型，星际气体的原始云在自重作用下坍塌形成超大质量恒星，然后演化成超大质量黑洞。但之前的研究表明，直接坍塌只适用于仅由氢和氦组成的原始气体。碳和氧等较重的元素改变了气体动力学，导致坍塌的气体分裂成许多较小的云团，形成了小恒星，而不是几颗超大质量恒星。所以仅靠原始气体的直接坍塌，不能解释我们看到的大量超大质量黑洞。
日本科学促进会和东北大学博士后研究员Sunmyon Chon和研究团队利用日本超级计算机ATERUI II的国家天文台进行了长期3-D高分辨率模拟，以测试即使在重元素富集的气体中，也可以形成超大质量恒星的可能性。由于模拟气体剧烈分裂的计算成本，包括重元素在内气云中的恒星形成一直很难模拟，但计算能力的进步，特别是“ATERUI II”的高计算速度，使该团队能够克服这一挑战。
这些新模拟使得更详细地研究气体云中恒星的形成成为可能。与之前的预测相反，研究小组发现超大质量恒星仍然可以由重元素富集的气体云形成。不出所料，气体云猛烈分裂，形成了许多较小恒星。然而，有一股强大的气体流向云层中心；较小的恒星被这种气流拖曳，并被中心的大质量恒星吞噬。这些模拟结果导致了一颗质量比太阳大10000倍的大质量恒星形成，这是研究人员第一次展示在富含重元素的云层中，形成这么大的黑洞前身。
图示：模拟快照显示了黑洞形成时宇宙中物质的分布和产生黑洞的气体云密度分布。在底部面板中，图形中心附近的黑点代表大质量恒星，这些恒星被认为会在时间上演化成黑洞。白点是小于10个太阳质量的恒星，它们是由气体云形成，许多较小恒星与中心的超大质量恒星合并，使得大质量恒星得以高效生长。
研究人员相信，这样形成的巨星将继续生长和演化成一个巨大黑洞。这一新模型表明，不仅原始气体，而且含有重元素的气体也可以形成巨型恒星，这就是黑洞的种子。东北大学教授Kazuyuki Omukai表示：新模型比之前的研究能够解释更多黑洞起源，这一结果使人们对超大质量黑洞的起源有了统一认识。
博科园｜研究/来自：国立自然科学研究院
研究发表期刊《皇家天文学会月刊》
DOI: 10.1093/mnras/staa863
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