理论认为超大质量黑洞无法合并？但这与观测不符！科学家认为，暗物质能化解这一悖论
文摘
科学
2024-08-01 17:42
北京
科学家已经找到了超大质量黑洞合并的证据，但现有理论认为，超大质量黑洞根本无法合并。最近，科学家提出了一种新理论，认为暗物质能与自身相互作用是促使黑洞合并的关键。
文 | 诺亚·利奇（Noa Leach）
编译 | 陈强
视觉设计 | 李梅
想象一下长跑运动员在接近终点时突然体力透支的情况，超大质量黑洞也有类似的经历。当两个超大质量黑洞彼此靠近时，它们会几乎完全停下来，无法跨越最后的一段距离——这个距离大约为1秒差距（约3.26光年）。一项新的研究表明，帮助超大质量黑洞“冲过终点”的背后力量可能是暗物质。科学家表示，我们之前忽略了暗物质的一个关键特性：暗物质粒子可以与自身相互作用。这项研究的作者之一、加拿大多伦多大学和麦吉尔大学的物理学家贡萨洛·阿隆索-阿尔瓦雷斯（Gonzalo Alonso-Álvarez）说：“暗物质粒子能够与自身相互作用，是我们做出的一个假设，并不是所有暗物质模型都包含这个因素。我们的观点是，只有具备这个因素的模型才能解决最后秒差距问题（final parsec problem）。”科学家利用计算机模拟出的两个彼此围绕的超大质量黑洞。（图片来源：NASA's Goddard Space Flight Center/Scott Noble; simulation data, d'Ascoli et al. 2018）简单来说，最后秒差距问题就是两个超大质量黑洞彼此靠近时，由于无法跨越最后的障碍而无法合并的问题。这一问题是在2023年，科学家利用脉冲星计时阵列检测到宇宙中背景引力波后发现的。这些引力波源自数百万对正在合并的超大质量黑洞，每个黑洞的质量都有太阳质量的几十亿倍。但当科学家进一步研究时，他们注意到了一个奇怪现象：当两个超大质量黑洞沿螺旋状轨道彼此靠近到约一秒差距时，它们便不再继续靠近了。为什么会这样？首先，需要知道的是，超大质量黑洞大都位于星系的中心。当两个星系碰撞时，这些黑洞会开始互相绕转，通过与周围物质相互作用而损失轨道能量，进而彼此靠近。黑洞沿螺旋状轨道彼此靠近，直到相距约一秒差距。此时，周围的物质基本被消耗殆尽，黑洞就无法继续靠近了。这样一来，超大质量黑洞实际上与疲惫的长跑运动员正好相反：运动员因为能量耗尽无法冲过终点，而黑洞因为能量不再被消耗而无法合并。根据发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上的这项新研究，答案可能是我们忽略了暗物质行为中的一个关键因素。事实上，正是这种神秘的行为可能使超大质量黑洞越过了最后一秒差距并与其伴侣合并。
新研究认为，此时的黑洞会与一个“暗物质晕”发生相互作用。科学家给出的模型显示，这个暗物质晕非常密集，以至于微小的暗物质粒子通过相互作用，吸收了剩余的黑洞轨道能量，从而降低了黑洞的轨道。现在，黑洞终于可以合并了。此外，利用脉冲星计时阵列检测到的引力波也与这一新模型相符。这些引力波的波长较长，但仍然来自超大质量黑洞的合并——正如阿隆索-阿尔瓦雷斯的团队所预测的那样。“这篇论文的重要性在于，只有当暗物质能与自身相互作用时，才能解决最后秒差距问题。如果属实，暗物质的这种行为将对宇宙学和星系形成模型产生重大影响。”未参与这项研究的美国宾夕法尼亚州立大学的天体物理学家王冰洁（Bingjie Wang）告诉《科学焦点》。王冰洁补充道：“在星系形成的传统观点中，结构是按等级形成的。因此，超大质量黑洞应该由质量较小的黑洞合并而成。用自相互作用的暗物质解决最后秒差距问题，我们也填补了星系形成中一个关键的缺失环节。”参考文献：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.021401
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