科学家探测早期超大质量黑洞形成环境
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对银河系中心黑洞周围事件视界的艺术想象图。
版权：M.莫斯奇布罗德茨卡T.布龙茨瓦尔H.法尔克拉德堡德大学
当詹姆斯韦布空间望远镜将其强大的仪器对准早期宇宙时，科学家们被它发现的景象所惊讶。
在高红移（z）值区域，对应于大爆炸后不到十亿年的时间，天文学家观察到大量星系中似乎存在超大质量黑洞（SMBH）的种子。
这些巨大黑洞在宇宙早期的存在挑战了现有的黑洞形成模型，在该模型中，恒星在其生命末期坍缩形成黑洞，这些黑洞逐渐聚集形成超大质量黑洞。
这促使天文学家考虑另一种途径，即早期星系中心的大量冷气体云聚集并坍缩形成黑洞——这就是所谓的直接坍缩黑洞（DCBH）假说。
然而，关于这些直接坍缩黑洞形成的环境，仍有许多问题尚未得到解答。
为了研究这一问题，一个国际天文学家团队探讨了暗物质合并以及充满大量气体、尘埃和恒星的空间区域（宇宙高密度区）为何是超大质量黑洞种子形成的有利环境。
这项研究由爱丁堡大学天文学研究所和皇家天文台的博士后研究员亚历山德罗特林卡（AlessandroTrinca）牵头。
参与研究的还有来自科莫湖天体物理学中心、意大利国家天体物理研究所罗马天文台、意大利国家天体物理研究所博洛尼亚天体物理与空间科学天文台、奥地利科技学院（ISTA）、天体物理研究所、罗马大学高级研究学院以及多所大学的研究人员。
描述他们研究工作的论文发表在《皇家天文学会月刊》（MNRAS）上。
小红点是近期由美国国家航空航天局詹姆斯韦布空间望远镜观测到的极其致密的天体。
团队工作的核心是暗物质（DM）并合树的概念。
在冷暗物质宇宙学常数（ΛCDM）宇宙学模型中，理论认为暗物质晕是通过较小的团块合并形成的。
这与早期超大质量黑洞（SMBH）形成理论类似，该理论认为超大质量黑洞是通过较小的恒星级和中等质量黑洞的合并形成的。
研究团队将这些并合树的高分辨率N体模拟与一个关于黑洞形成和星系共同演化的半解析模型相结合。
使用基于GIZMO粒子算法的宇宙学放大软件模拟了晕的并合历史。
随后，使用宇宙考古工具（CAT）对所有前体晕中的重子（即可见物质）成分进行了模拟。
CAT是一种半解析模型，用于解释观测到的高红移源的性质，并根据观测结果测试不同的黑洞演化情景。
正如该团队所写：
这使我们能够追踪在宇宙演化过程中，具备形成原初大质量黑洞能力的暗物质晕的丰度、空间分布及其所处的环境条件，探讨这些趋势如何依赖于重种子形成的特定物理要求。
在此基础上，我们重点预测了预期位于高红移类星体附近的原初大质量黑洞后代群体的观测特征，其对应宇宙时约为129亿年前。
研究结果显示，巨大的黑洞种子早在136.4亿年前（即宇宙大爆炸后不到5亿年）就可能通过直接坍缩形成。
这种形成过程会一直持续到大约135亿至134亿年前，那时，由最早的第三星族恒星超新星爆发导致的星系际介质（IGM）金属富集，会抑制进一步的直接坍缩事件。
这些结果支持了直接坍缩黑洞（DCBH）假说，并为未来的詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）观测提供了机会。
正如该团队得出的结论：
BY: Matthew Williams
FY: AI
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