宇宙初期超质量黑洞和星系是如何从崩塌的气体云形成

一个在宇宙初期高密度地区的暗物质细丝(dark matter filaments)网络的模拟。每一个密集的亮点，是进入气体崩塌形成大星系和超质量黑洞(supermassive black hole)的一个暗物质晕圈(halo)。2015 Kentaro Nagamine， Osaka University

模拟，第一次明确地揭露，这些黑洞如何在大爆炸后的7亿年形成。

在接近所能看到的宇宙边缘，是一些曾被观察到的最明亮天体，叫做类星体(quasar)，据信是包含有一些质量超过太阳10亿倍的超质量黑洞(supermassive black hole)。由大阪大学(Osaka University)地球与太空科学系(Department of Earth and Space Science)的Kentaro Nagamine、肯塔基大学(University of Kentucky)的Isaac Shlosman和同事们所做的模拟，第一次明确地揭露这些黑洞如何在大爆炸后的7亿年形成。

Nagamine解释：“宇宙初期是一个密集的、高热的、和均匀的电浆(plasma)。当它冷却时，质量分布(mass distribution)的变动会在因为引力而聚集的物质周围形成种子，这些是最初恒星的起源。类似的过程可能在稍后为更大结构的发展播种，像是超质量黑洞。

直到最近，许多研究人员思索着超质量黑洞是由一些最初恒星的崩塌所播种。但几组的模型研究认为这个过程只会导致小的黑洞。Nagamine和同事们模拟一个不同的情况，超质量黑洞是由掉进暗物质(dark matter)创造的位井(potential well)的气体云所播种。看不见的物质，天文学家相信是组成高达85%的宇宙质量。

模拟巨大气体云的动态是极度的复杂。因此，研究小组必须使用一些数字上的手法，叫做’下沉粒子(sink particle)’，来简化这个问题。

Nagamine解释：“虽然我们有使用在大阪大学虚拟媒体中心(Cybermedia Center)和日本国家天文台(National Astronomical Observatory of Japan)的一些非常强大的超级电脑，我们无法模拟每一颗单独的气体粒子。取而代之的是，我们使用下沉粒子来做出小空间规模的模型，这些模型如同周围气体演化般地成长。这允许我们模拟，比之前可能的时间规模，更为长的时间规模。”

研究人员发现，大部分他们模拟的种子粒子并没有成长很多;除了一个地处中心的种子，在仅仅2百万年快速成长超过太阳质量的2百万倍，代表走向超质量黑洞一个可行的途径。此外，当气体自旋并且崩塌在地处中心的种子的周围，它形成了两个在过去不曾被观察到的没有排成一列的吸积盘(accretion disc)。

在其他最近的研究，Nagamine和同事们描述与超质量黑洞大约相同时间形成的巨大星系的成长。Nagamine说：“我们喜欢把能够看见的时间边界推向更早。”当NASA的James Webb太空望远镜预定在2018年发射，观察遥远的源头，直接的气体崩塌正在那里发生。研究人员希望他们的模拟被真实的数据确定。