天体物理学家在解决“最后的秒差距问题”中发现了超大质量黑洞/暗物质之间的联系

研究人员发现了宇宙中一些最大和最小物体之间的联系：超大质量黑洞和暗物质粒子。他们的新计算表明，由于之前忽视的暗物质粒子的行为，超大质量黑洞对(SMBH)可以合并成一个更大的黑洞，这为天文学中长期存在的“最终秒差距问题”提出了解决方案。

该项研究的论文《自作用暗物质解决了超大质量黑洞合并的最终秒差距问题》于本月发表在《物理评论快报》上。

2023 年，天体物理学家宣布探测到宇宙中弥漫着引力波的“嗡嗡声”。他们推测，这种背景信号来自数百万对正在合并的超大质量黑洞，每对黑洞的质量都比我们的太阳大数十亿倍。

然而，理论模拟表明，当这些庞大的天体成对以螺旋状靠近时，当它们相距大约一秒差距(约三光年的距离)时，它们的接近就会停止，从而阻止合并。

这个“最后的秒差距问题”不仅与超大黑洞合并是引力波背景源的理论相冲突，而且与超大黑洞由质量较小的黑洞合并而形成的理论相矛盾。

“我们表明，包括之前被忽视的暗物质效应在内，可以帮助超大质量黑洞克服最后的分离和聚结，”论文合著者、多伦多大学物理系和麦吉尔大学物理系和特罗蒂尔空间研究所的博士后研究员 Gonzalo Alonso-Álvarez 说。“我们的计算解释了这种情况是如何发生的，这与之前的想法相反。”

该论文的共同作者包括麦吉尔大学和瑞士欧洲核子研究中心理论物理系的詹姆斯·克莱恩 (James Cline) 教授，以及麦吉尔大学物理学硕士生凯特琳·迪瓦 (Caitlyn Dewar)。

超大黑洞被认为位于大多数星系的中心，当两个星系相撞时，超大黑洞会落入彼此的轨道。当它们绕着彼此旋转时，附近恒星的引力会拉扯它们并使其减速。结果，超大黑洞向内盘旋，朝着合并的方向旋转。

先前的合并模型显示，当超大质量黑洞接近到大约一秒差距时，它们开始与它们所嵌入的暗物质云或光晕相互作用。它们表明，螺旋状超大质量黑洞的引力将暗物质粒子抛出系统，由此产生的暗物质稀疏意味着能量不会从这对黑洞中汲取，它们的相互轨道也不再缩小。

虽然这些模型排除了暗物质对超大质量黑洞轨道的影响，但阿隆索-阿尔瓦雷斯及其同事的新模型表明，暗物质粒子以不会分散的方式相互作用。暗物质晕的密度仍然足够高，以至于粒子与超大质量黑洞之间的相互作用继续降低超大质量黑洞的轨道，为合并扫清道路。

“暗物质粒子相互作用的可能性是我们做出的一个假设，这是并非所有暗物质模型都包含的一个额外因素，”阿隆索-阿尔瓦雷斯说。“我们的论点是，只有包含该因素的模型才能解决最终的秒差距问题。”

这些巨大宇宙碰撞产生的背景嗡嗡声是由引力波组成的，其波长比 2015 年天体物理学家操作激光干涉引力波天文台 (LIGO) 首次探测到的引力波要长得多。这些引力波是由两个黑洞合并产生的，这两个黑洞的质量都是太阳的 30 倍左右。

近年来，科学家使用脉冲星计时阵列探测到了背景嗡嗡声。该阵列通过测量脉冲星(快速旋转的中子星，会发出强射电脉冲)信号的微小变化来揭示引力波。

“我们的提议预测脉冲星计时阵列观测到的引力波频谱在低频时会变软，”克莱恩说。“目前的数据已经暗示了这种行为，未来几年的新数据可能能够证实这一点。”

除了提供对 SBMH 合并和引力波背景信号的深入了解之外，新结果还为了解暗物质的本质提供了一个窗口。

“我们的工作为我们理解暗物质的粒子性质提供了一种新方法，”阿隆索-阿尔瓦雷斯说。“我们发现黑洞轨道的演化对暗物质的微观物理非常敏感，这意味着我们可以利用对超大质量黑洞合并的观察来更好地理解这些粒子。”

例如，研究人员发现，他们模拟的暗物质粒子之间的相互作用也解释了银河系暗物质晕的形状。

“我们发现，只有当暗物质粒子以能够改变暗物质在星系尺度上的分布的速率相互作用时，最终的秒差距问题才能得到解决，”阿隆索-阿尔瓦雷斯说。“这是出乎意料的，因为这些过程发生的物理尺度相差三个或更多数量级。这很令人兴奋。”