使超大质量黑洞无法解释的“最终秒差距问题”终于有了解决方案

两个超大质量黑洞即将碰撞的图示。（图片来源：uux.cn/Getty）

（神秘的地球uux.cn）据美国太空网（乔纳森·吉尔伯特）：科学家们一直在模拟当两个较小的黑洞合并时，超大质量黑洞是如何形成的。但在他们的模拟中，大多数大质量黑洞对都会无限期地相互绕轨道运行。现在，科学家们可能终于找到了这个“最终秒差距问题”的解决方案，这也可能有助于揭示宇宙中最神秘的组成部分之一的身份。

潜伏在大多数普通星系中心的是一个超大质量黑洞（SMBH），就像M87星系中事件视界望远镜合作拍摄的那样。它的质量大约是太阳的65亿倍，但并不总是那么大。天文学家认为，SMBH开始时要小得多，并通过与其他黑洞的反复合并而成长为庞然大物。

2023年，国际脉冲星计时阵列合作的科学家宣布，他们发现了引力波的背景“嗡嗡声”，这是在超大质量物体合并过程中释放的时空结构中的涟漪。天文学家认为，这种背景是由遥远的一对大质量黑洞产生的，因为它们通过遥远碰撞的引力回声向太空发出“振铃”。

永恒的宇宙之舞

研究人员使用复杂的计算机模拟来研究这些环绕黑洞的复杂舞蹈。但到目前为止，这些模型遇到了一个问题：当黑洞之间的距离达到约1秒差距（约3.26光年）时，它们就会陷入困境，永远地绕着对方转。

这是因为，要碰撞和合并，螺旋黑洞必须首先失去能量并减速。当黑洞从相隔数光年的地方相互靠近时，它们会穿过气体云和星团，减缓它们的运动，使它们螺旋式地更近。

但当它们到达最后一秒差距时，已经没有足够的物质来消耗它们的能量。相反，这些模型预测，它们最终合并的持续时间将超过宇宙的当前年龄。这被称为“最终的解析器问题”

在距离我们4亿光年的星系NGC 6240中，有一对相距约3000光年的巨大黑洞。该星系的蝴蝶形状是由两个较小星系的碰撞造成的。（图片来源：uux.cn钱德拉X射线天文台拍摄照片：NASA/CXC/MPE/S.Komossa等人。）

额外的配料

科学家们想出了一些解决这个问题的办法。一个可能的答案是，一个围绕黑洞旋转的物质盘，称为吸积盘，可以加速它们的下落。之前的计算机模拟表明，这些将时间缩短到几十亿年，但这还不足以解释观测到的引力波背景，也不足以解释SMBH是如何变得如此之大的。

现在，7月份发表在《物理评论快报》杂志上的一篇论文提出了一种新的黑洞失去剩余能量的方法：如果暗物质是“自我相互作用的”

多伦多大学博士后Gonzalo Alonso-Álvarez在一份声明中说：“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额外成分。”。“我们的论点是，只有具有这种成分的模型才能解决最终的秒差距问题。”

尽管暗物质在宇宙中的丰度是普通物质的五倍，但它本质上是不可见的，对其性质知之甚少。通常，科学家们认为它是无碰撞的，这意味着它不会以任何方式与普通物质或自身相互作用，除非通过引力。但由于对它知之甚少，天文学家有时会超越这个简单的模型。

物理学家之前曾考虑过自相互作用暗物质（SIDM），因为它可以帮助解释星系中更传统的暗物质难以处理的小尺度结构，也因为它可能有助于解释早期宇宙中出乎意料的大星系的形成。

SMBHs的引力将暗物质吸引到天体物理学家称之为“尖峰”的密集浓度中。当研究作者在他们的模型中使用普通暗物质时，尖峰并没有吸收黑洞的所有能量。

该团队在论文中解释说：“尖刺无法吸收摩擦热，并被合并破坏。”。来自轨道黑洞的能量加热了暗物质，最终将其分散到更宽的星系中，抵消了对轨道黑洞的预期影响。

然而，当研究小组在他们的模型中调整暗物质的特性使其自我相互作用时，他们发现尖峰吸收了能量而没有被破坏。黑洞继续向内螺旋，进入脉冲星计时实验可以探测到的引力波区域。（脉冲星——快速旋转的中子星——像宇宙灯塔一样发射辐射束；通过仔细测量其闪光的到达时间，科学家可以检测到引力波通过引起的微小变化）。

在这些模型中，黑洞在不到10亿年的时间内合并——这个时间尺度足够短，无数次合并可以产生探测到的引力波背景。

SIDM软化了光谱

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