早期宇宙如何形成大质量黑洞的谜团，似乎逐渐拨云见日。来自乔治亚理工学院、都柏林城市大学等机构组成的科学团队，发现一种促进早期宇宙大质量黑洞形成的全新机制：星系外围无星区的暗物质晕（dark matter halo）。
一个超大质量黑洞如何在资源匮乏的早期宇宙中形成？过去观点普遍认为，超大质量黑洞由星系强烈的辐射点燃，然而一般黑洞需等一颗巨大恒星耗尽所有燃料、爆炸成超新星后才有机会成形，遑论超大质量黑洞要花更长时间吸收更多质量。然而早期宇宙都还在蹒跚学步，哪来那么多恒星喂养黑洞？又如何在大爆炸后仅几亿年时间就形成超大质量黑洞？
2017 年底，天文学家发现了迄今为止最古老的超大质量黑洞，位于类星体 ULAS J1342 + 0928 中心，距离地球约 131 亿光年，质量高达太阳质量 8 亿倍；换句话说，它在大爆炸后不到 6.9 亿年时间吃了 8 亿颗太阳。
当时的团队表明，一定还有个未知机制参与其中，否则无法为这个超大质量黑洞的存在正名。
现在，来自乔治亚理工学院（Georgia Tech）、都柏林城市大学、密歇根州立大学、加州大学圣地牙哥分校、圣地牙哥超级电脑中心（SDSC）的科学团队，找到了一个促使早期宇宙超大质量黑洞形成的全新机制！虽然不确定此机制与彼未知机制是否为同一个，有待天文学家后续商榷。
▲ 早期宇宙超大质量黑洞形成的全新机制模拟示意影片。
新研究指出，当星系快速且暴力聚集时，外围的恒星形成过程反而被打乱，由黑洞取而代之迅速增长。那么这过程的作用机制为何？研究通讯作者、乔治亚理工学院天体物理学家 John Wise 解释，首先依赖星系形成时的大量气体云。
研究团队利用 Blue Waters 超级电脑（注）于 2011～2014 年期间收集的 70TB 数据进行模拟，发现有 10 个暗物质晕（环绕在星系外围）区域应该形成恒星，但实际上那里完全没有星星，仅包含稠密气体云。为此，团队再利用 Stampede2 超级电脑分析其中 2 个暗物质晕，用更高的分辨率探讨内部细节。
惊人的是，研究人员在这气体稠密的无星区看见了黑洞形成，而不是从附近星系高辐射区域看见。暗物质是宇宙中看不见的关键成分，在这种新机制中，它跟着迅速成长、阻止恒星形成，John Wise 表示，同时暗物质也会产生重力，当大量气体受重力吸引落入，便转而形成巨大黑洞。
研究团队预测，这种全新机制将成为未来观测到超大质量黑洞的起源，无论时间点是早期宇宙还是今日；此外，研究也告诉我们，整个宇宙中的黑洞数量将比我们以前认知的还要多。新论文发表在《自然》期刊。
注：Blue Waters是一台 PetaFLOPS 级别的超级电脑名称。
- These are the first massive black holes from the early universe
- Birth of Massive Black Holes in the Early Universe Revealed
- Supermassive Black Holes Likely Born in ‘Halos’ of Dark Matter
（首图来源：乔治亚理工学院）
延伸阅读：
- 发现至今最古老的超大质量黑洞，科学家：有未知机制参与形成
- 宇宙缺失质量在哪里？牛津物理学家新理论可破解暗物质之谜
