由最先进的模拟表明的中间质量黑洞形成过程 概要 以东京大学研究生院理学系研究科副教授藤井通子为首的研究小组通过数值模拟表明电商美工外包网，在球状星团※1的形成过程中，从星星的合并经过超大质量星※2可以形成中间质量黑洞※3。 本研究通过新开发的计算方法，用数值模拟再现了世界上首次球形星团的形成过程，每一颗星星。 结果表明，在正在形成的球状星团中，星星一个接一个地合并在一起，可以形成质量是太阳数千倍的超大质量星星。 此外，根据恒星进化理论进行的计算，确认了这颗超大质量星后来会进化成质量是太阳数千倍的中间质量黑洞。 这是从理论上强烈支持了从迄今为止的观测中长年受到争论的球状星团中的中间质量黑洞的存在的结果。 在本研究中，通过使用国立天文台的天文学专用超级计算机“Ateriⅱ”，实现了再现一颗颗星星的球状星团的形成模拟。 ( 2024年5月31日新闻发布会)

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图1 :模拟再现的正在形成的球状星团。 左下角一个个蓝白色的点代表星团的星星，周围的“烟雾”代表星际气体。 颜色表示温度，暗的部分表示温度低的星际气体(分子云)，亮的部分表示温度高的星际气体。 可视化:武田隆显( viewa娱乐株式会社)。 (信用:藤井通子、武田隆显) 下载: [PNG (11 MB ) ] 详细 迄今为止，通过各种各样的观测，明确了黑洞的存在，但大多是太阳质量的100倍以下的恒星质量黑洞，或者是质量为太阳10万倍以上的位于银河中心的巨大黑洞。 在它们中间，是否存在质量为太阳数百至数万倍的“中间质量黑洞”已经成为多年的争论。 其中，质量数千倍于太阳的中间质量黑洞没有强烈的观测证据，在宇宙的何处如何形成仍是个谜。 被认为是存在质量数千倍于太阳的中间质量黑洞的地方的候选天体中有“球状星团”。 球状星团是数百万颗星星呈球状分布的天体，此前有报告称，其中心存在质量为太阳数千倍的中间质量黑洞。

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图2 :半人马座欧米茄星团，这是观测提示存在中间质量黑洞的球状星团之一。 (信用: ESO ) 下载: [JPG (699 KB ) ] 球状星团中中间质量黑洞的形成假说是天体之间的碰撞合体。 在迄今为止使用数值模拟的研究中，(1)星团内黑洞之间的合并反复发生，但在超过500太阳质量之前，由于合并时的非各向同性引力波释放而飞出星团外，或者(2)星星之间合并，但 与这些模拟是对已经形成的星团进行的不同电商美工外包网，本研究对星星母体分子云※5内星星不断产生成为星团的过程，深圳亚马逊建模渲染包括星星之间的碰撞合体在内进行了模拟。 结果表明，在正在形成的星团中星星一个接一个地合并，最终形成质量为太阳1万倍左右的超大质量星星(图3左)。 根据星球进化的理论进行计算，预计这样的超大质量星球最终将形成质量是太阳3-4千倍的中间质量黑洞(图3右)。 此次模拟得到的星团和其中形成的黑洞质量的关系，与根据观测推测的球状星团的质量和黑洞的质量的关系一致。 该结果在理论上强烈暗示了球状星团中存在中间质量黑洞。

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图3 :星团中最重的星体质量随时间的变化。 左图:模拟中反复发生的星体合并导致星团内最重星体质量的增加。 右图:基于恒星演化理论的超大质量星质量随时间的变化。 这颗超大质量星最终进化成了中间质量黑洞。 (信用:藤井通子) 下载: [JPG (152 KB ) ]

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图4 :球状星团质量与黑洞质量的关系。 星号表示模拟形成的球状星团的质量与其中形成的黑洞的质量的关系。 颜色分别表示形成星星所依据的星际气体的重元素量(氢、氦以外的元素的量)的差异。 虚线表示中间质量黑洞的质量为星团质量的3%。 竖线表示观测显示存在中间质量黑洞的球状星团的质量与黑洞的质量的关系(线的长度表示误差的范围，箭头表示上限值)。 可以看出，模拟形成的球状星团和黑洞质量中，质量最大的(被黄色圆圈包围的红色星号)与银河系球状星团的质量和通过观测推测的黑洞质量相同。 被浅红色和蓝色涂抹的区域是根据星星进化的理论计算和模拟结果预测的、各重元素量情况下球状星团质量和黑洞质量的关系。 这就解释了银河系球状星团质量与推测的黑洞质量的关系。 (信用:藤井通子) 下载: [JPG (361 KB ) ] 本研究证实，质量数千倍于太阳的中间质量黑洞将在假设标准假设的数值模拟中形成。 由于中间质量黑洞是恒星质量黑洞和巨大黑洞的连接链，给出了中间质量黑洞的一个形成过程，对理解巨大黑洞的形成过程具有重要意义。 另外，通过使用本研究小组于2020年开发的新模拟代码和国立天文台的天文学专用超级计算机“Atii”，在世界上首次实现了再现本研究的每一颗星星的球状星团形成模拟。 相关信息 “新的高精度模拟显示的星团形成的现场”( 2022/6/8 ) 论文信息 标题: " simulations predict intermediate-mass black hole formation in globular clusters " 作者: Michiko S. Fujii，Long Wang，Ataru Tanikawa，Yutaka Hirai，Takayuki R. Saitoh 刊登杂志: Science DOI: 10.1126/science.adi4211 关于本研究中使用的超级计算机 本研究小组进行的模拟使用了国立天文台的超级计算机“Atiliⅱ”。 理论运算性能为3.087 PETA flop (1PETA为10的15次方，flop是表示计算机每秒可处理的运算次数的单位)，是世界上天文学数值计算专用机中最快的。 设置在岩手县奥州市的国立天文台水泽校区，与平安时代活跃的当地英雄阿特鲁伊相似命名。 包含着“希望你勇猛果敢地挑战宇宙之谜”的愿望。 (信用:国立天文台)

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研究资助 本研究涉及科研经费“基础( b )用分解一颗颗星星的模拟探索大质量星团形成过程(课题编号: 22H01259 )”、“基础( b )用银河模拟探索星团起源黑洞连星的宇宙史(课题编号: 19H01933 )” 《青年研究宇宙论模拟与Gaia逼近的银河系形成(课题编号: 20K14532 )》、《特别研究员奖励费银河形成模拟与用昴望远镜PFS探索的银河化学动力学进化史(课题编号: 22KJ0157 )》、《基础( a )》 亮缺金属星全北天域探测探明初代星元素合成与初始银河系形成(课题号: 21H04499 )；“探明基盘( c )球状星团元素组成异常起源(课题号: 21K03614 )”；“基盘( c )银河中心考古学:银河系棒状结构何时形成 (课题编号: 21K03633 )、“用基础( c )三维流体模拟解开的超高速度白矮星和Ia型超新星的起源(课题编号: 19K03907 )”、科研费“以基础( c )大质量星连星为线索的初代星和引力波起源天体的探测(课题编号) “基础( c )从孤立环境到高密度星团环境的全恒星系统中的双星黑洞形成过程的阐明(课题编号: 24K07040 )”、“富岳”成果创造加速程序“通过模拟和AI的融合阐明的宇宙结构和进化(课题编号: JPMXP1020230406 ) 用语解说 (※1 )球状星团:数百万颗以上的星星呈球状分布，并被彼此的重力束缚的天体。 (※2 )超大质量星:质量为太阳数百倍至1万倍的星星。 关于其存在还没有观测证据。 (※3 )中间质量黑洞:质量为太阳100倍到1万倍的黑洞。 (※4 )星风:从星星吹出的气流。 质量越大的星星，具有星风越强、质量损失率越高的倾向。 (※5 )分子云:为数至数十k (开尔文)左右的低温，主要由氢分子组成的星际气体。 关于图像影像的利用 使用图像的时候，请务必在图像的附近标明信用。 使用本网站上登载的图像及视频时，请按照《自然科学研究机构国立天文台网站使用规程》。 相关链接

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