当超大恒星死亡时，黑洞可能就形成了，内部物质坍缩成一个密度极高的物体，甚至光也无法从中逃脱。天文学家推理说：大质量黑洞也可能在星系诞生时形成，但到目前为止，还没有人能够回溯到足够远的时间来观察产生这些直接塌缩黑洞的条件。詹姆斯·韦伯太空望远镜计划于2021年发射升空，它可能能够在足够远的距离上返回到早期宇宙中，看到一个星系中有一个新生的巨大黑洞。现在，佐治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)的研究人员进行的一项模拟表明，如果天文学家在天空中搜索DCBH的早期阶段，他们应该寻找什么。发表在《自然天文学》(Nature Astronomy)上的这一首次模拟实验表明，这些黑洞的直接形成将伴随着特定种类的强烈辐射。
博科园-科学科普：包括x射线和紫外线发射，当它们到达望远镜时，会转变成红外线。黑洞也可能会产生大量没有金属的恒星，这是一个意想不到的发现。这项研究得到了美国宇航局、洛斯阿拉莫斯国家实验室、美国国家科学基金会、南部地区教育委员会和两项哈勃理论基金的支持。该论文的第一作者、佐治亚理工学院物理学博士研究生柯克ss s巴罗(Kirk S. S. Barrow)说：在许多大型星系的中心有超大质量的黑洞，但我们无法观察它们的形成方式，也无法观察它们是如何变大的。科学家们推测这些超大质量黑洞可能是在星系诞生时形成的，希望将这些理论预测转化为可通过詹姆斯韦伯太空望远镜观测到的观测预测。
乔治亚理工学院物理学院和相对论天体物理学中心的约翰·h·怀斯(John H. Wise)教授说：DCBH的形成是由于星系早期形成过程中大量气体的坍缩引起的。但是在天文学家希望捕捉到这种形成之前，必须知道望远镜能够探测到的光谱中应该寻找什么，主要是红外线。黑洞形成可能需要一百万年左右的时间，但为了想象它可能是什么样子，前博士后研究员、现供职于洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Lab)的艾金·阿库塔尔普(AycinAykutalp)利用美国国家科学基金会(National Science Foundation)支持的位于奥斯汀的德克萨斯大学斯坦佩德超级计算机进行了一次模拟，重点关注DCBH形成后的后果。
DCBH模拟图像显示了早期星系的密度(左)和温度(右)，可以看到超新星冲击波从中心膨胀，扰乱和加热星系。图片：Georgia Tech
模拟采用了物理第一原理，如重力、辐射和流体力学。如果星系先形成，然后黑洞在中间形成，那就会有一种特征。如果黑洞先形成，会有不同的特征吗？我们想知道是否会有物理上的差异，如果有，是否会转化为可以用詹姆斯韦伯太空望远镜观察到的差异。这些模拟提供了密度和温度等信息，巴罗将这些数据转换成通过望远镜可能观测到的东西的预测——可能观测到的光线以及它在到地球的长途旅行中会遇到的气体和尘埃对它的影响，最后有了一个观察者可能看到的东西。
黑洞的形成需要大约100万年的时间，这是银河系时间的一个暂时现象。在DCBH模拟中，第一步是气体坍缩成比太阳大10万倍的超大质量恒星。然后，恒星会经历重力不稳定，坍缩成一个巨大的黑洞。模拟结果显示，黑洞发出的辐射在大约50万年的时间里触发了恒星的形成。第一代恒星的质量通常要大得多，所以它们的寿命较短，在它们形成后的前五六百万年里，它们死亡并成为超新星。这是在这项研究中报告的另一个特征超新星形成后，黑洞平静下来，但在电磁辐射(试图逃逸的紫外光和x射线)和黑洞自身引力之间产生了斗争，这些循环又持续了两千万到三千万年。
这是一幅模拟的紫外光假彩色图像，显示加热气体螺旋进入中心的黑洞。图片：Georgia Tech
黑洞在宇宙中相对普遍，所以希望有足够多的快照，天文学家就能捕捉到一个黑洞的诞生，这就能让我们对星系如何随时间进化有一个新的认识。围绕DCBH的恒星形成出人意料，但事后看来，这是有道理的。黑洞产生的电离作用会产生光化学反应，从而触发恒星的形成。没有金属的恒星往往比其他恒星大，因为缺少铁等金属可以防止碎片形成。但由于它们太大，这些恒星会产生大量的辐射，并在超新星中结束生命。这是早期宇宙的最后一个大谜团之一，希望这项研究为弄清这些超大质量黑洞是如何在星系诞生时形成提供了一个很好的方向。
博科园-科学科普｜参考期刊文献 :《自然天文学》（Nature Astronomy）｜研究/来自：佐治亚理工学院，DOI: 10.1038/s41550-018-0569-y
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