科學家表示：暗物質可能為宇宙中的超大質量黑洞“牽線搭橋”，推動超大質量黑洞發生合併

暗物質 宇宙中最神祕的物質 可能是一種宇宙媒人 幫助超大質量黑洞克服最後的障礙 最終碰撞並合併為一體 天文學家已經知道 當星系碰撞形成更大 更畸形的星系時 位於其中心的超大質量黑洞也會相互吸引 最終 這些黑洞也會合併 形成一個更為龐大的超大質量黑洞 並在時空的結構中產生一種高音的尖叫 稱為引力波 雖然引力波的探測 為我們提供了這種碰撞過程的證據 並且確實成為我們理解超大質量黑洞 如何獲得相當於數百萬 甚至數十億個太陽質量的基礎 但仍然存在一個懸而未決的問題 天體物理學家對超大質量黑洞合併的後期階段 有很好的模型 但科學家們仍然不完全理解這些宇宙巨人 如何跨越它們之間大約3.3光年的最後距離 以觸發合併過程 這個問題被稱為最後的秒差距問題 新的研究表明 解決方案可能來自黑暗宇宙 暗物質可以幫助超大質量黑洞破冰 並開始結合過程 但有一個條件總是有條件的 不是嗎 這個理論只有在暗物質粒子相互作用時纔有效 多倫多大學的研究團隊負責人 岡薩羅·阿隆索·阿爾瓦雷斯介紹到 超大質量黑洞合併的過程很複雜 因為它依賴於黑洞相互找到 形成雙星系統 然後它們之間的軌道分離逐漸減少 當兩個黑洞之間的距離大約為一秒差距時 科學家們擔心 因為根據現有的計算 合併似乎會停滯 我們建議存在暗物質 暗物質被認為在星系中心非常密集 可以產生顯著影響 並幫助這些黑洞合併 阿隆索·阿爾瓦雷斯解釋說 這一發現的令人興奮之處在於 它基於數學建模 依賴於暗物質的自相互作用 更具體地說 要在黑洞之間牽線搭橋 暗物質粒子必須在碰撞時相互散射 因此 遵循這一理論 不僅可以解決最後的秒差距問題 還可能最終揭示暗物質的組成 解開科學中最基本的謎團之一 在討論暗物質在促進黑洞合併中 可能扮演的角色之前 有必要稍作偏離 解釋為什麼這種神祕的宇宙物質 對科學家來說 是一個如此令人困擾的問題 暗物質不與光相互作用 或者 如果有相互作用 那麼這種相互作用非常微弱 我們無法檢測到 這使得它實際上是不可見的 而且 由於電子 質子和中子 構成日常物質原子的粒子 確實與光相互作用 科學家們知道 暗物質不可能由這些粒子組成 這引發了對標準粒子物理模型之外 粒子的廣泛搜索 但這並不是暗物質問題的全部 這種物質 不僅可能由不符合我們所擁有的 亞原子世界最佳模型的粒子組成 而且在質量方面 它們絕對主導了日常物質粒子 暗物質粒子的質量 比普通粒子高出5到6倍 這意味著 你周圍看到的所有東西 恆星 行星 衛星 太空中的巨大氣體雲 其他人類 你的咖啡桌 顯示器 鼠標 甚至隔壁的貓 只佔宇宙質量的15% 這意味著 宇宙中有很多東西我們無法解釋 我們知道暗物質存在 因為儘管它不與光或普通物質相互作用 但暗物質確實與引力相互作用 當它這樣做時 它產生的效應 可以影響普通物質和光的行為 例如 如果沒有暗物質的引力影響 研究人員發現 由恆星 氣體 行星和衛星的質量產生的引力 不足以防止它們在繞行時飛散 阿隆索阿爾瓦雷斯解釋說 當星系首次合併時 它們各自的超大質量黑洞相距甚遠 最終 它們開始各自向這些合併星系的中心移動 這將成為它們自身合併的地點 和新創建的星系的中心 這種旅程是通過黑洞的能量損失來實現的 並且分為三個不同的階段 在第一階段中 黑洞掃過大量恆星 並與這些恆星發生引力相互作用 由於這些相互作用 黑洞傳遞速度並減慢 這種速度的損失 使合併中心的質量集中 能夠引力影響黑洞相互靠近 在跨越最後的3.3光年 並形成雙星系統後 這種能量損失仍然很重要 這是這個過程的第三階段 在這一點上 黑洞繞著彼此旋轉產生引力波 當這些波從雙星系統中波動出去時 它們帶走了角動量 從而失去了旋轉動能 這種非常有效的能量損失 使兩個黑洞相互靠近 它們的合併變得不可阻擋 它們的軌道越緊 引力波輻射得越快 最終 隨著超大質量黑洞越來越靠近 它們的引力影響佔據主導地位 並發生碰撞 然而 有一個問題 你可能已經注意到了 第二階段發生了什麼 那是失去恆星能量 和通過引力波失去能量之間的步驟 與恆星的相互作用 實際上只有在黑洞彼此相距很遠時纔有效 所以距離大於一秒差距 而引力波輻射 只有在它們距離小於一秒差距的一部分時 才真正起作用 阿隆索·阿爾瓦雷斯說 在大約一秒差距的距離上 之前的模型中 沒有任何東西真正起作用 無法提供一種機制 使軌道繼續縮小 這就是暗物質可能發揮作用的地方 阿隆索·阿爾瓦雷斯和同事們建議 當超大質量黑洞達到3.3光年的分離距離 並且無法再將能量傳遞給恆星時 暗物質接管 並通過一種稱為動力摩擦的過程 開始剝離能量 如果黑洞在這種密集的暗物質流體中移動 那麼它們會像物體 在粘性液體中移動一樣產生摩擦 阿隆索·阿爾瓦雷斯繼續說道 他補充說 如果將暗物質建模為流體 暗物質粒子之間的相互作用 賦予它高粘度 對於普通液體 高粘度表示物體通過的難度 例如水的粘度比龐漿低 在這種情況下 這種摩擦僅由引力產生 阿隆索·阿爾瓦雷斯說 它從未通過引力以外的力 與黑洞相互作用 此外 如果這個理論是正確的 那麼它也告訴我們一些關於暗物質的事情 並非所有的暗物質模型都表明 這種神祕物質的粒子可以相互散射 沒有暗物質散射 這個機制就無法工作 阿隆索·阿爾瓦雷斯說 原因是 黑洞通過摩擦損失的能量 暗物質則增加了暗物質粒子的速度 如果沒有粘性 暗物質粒子將從這個最終的秒差距區域散開 這意味著 經過一段時間後 這個中心區域將不再有足夠的暗物質 來產生必要的摩擦 然而 如果存在暗物質自相互作用 發生的情況是 這種能量在心繫中心區域的粒子之間重新分配 使暗物質不會散開 阿隆索·阿爾瓦雷斯補充道 這是至關重要的 暗物質與超大質量黑洞之間的相互作用 還可以解釋暗物質暈的計算 這些暈的形狀無法完全用冷暗物質模型解釋 這些冷暗物質模型表明 這種神祕物質移動緩慢且不自相互作用 如果阿隆索·阿爾瓦雷斯及其同事的暗物質媒人理論是準確的 那麼可能需要遠離冷暗物質 此外 為了促進暗物質粒子之間的相互作用 必須存在一種未知的再提粒子 這項研究為團隊提供了一些關於這種粒子性質的線索 粒再提粒子或稱波色子充當中介 幫助其他粒子相互作用 例如電磁力使用光子或光粒子作為其粒再提 而引力則被假設使用一種稱為膠子的波色子 我們一開始非常天真的認為暗物質自相互作用 應該只是幫助解決這個最終的秒差距問題 但我們沒想到能夠預測哪種自相互作用是有利的 阿隆索·阿爾瓦雷斯繼續說道 隨著我們的工作和不斷完善計算 我們發現一種非常特殊的模型 其中粒再提的質量約為暗物質粒子質量的1% 這是非常優選的 其他任何嘗試都不起作用 我們為這篇論文所做的計算純粹是分析性的 我們目前正在開發模擬以更好的理解這一機制 阿隆索·阿爾瓦雷斯說 這位物理學家補充說 這一理論的觀測證據可能來自被稱為 脈衝星計時陣列的高度精確旋轉中子星集合 科學家們將其用作精確的宇宙計時器 關鍵在於研究宇宙的背景汪汪聲 稱為引力波背景 它起源於宇宙歷史上的超大質量黑洞合併 可以觀察暗物質和摩擦對該信號的影響 並預測暗物質的存在如何改變信號 阿隆索·阿爾瓦雷斯補充道 我認為最有趣的是 可以同時將其與在數千秒差距的星系尺度上 存在暗物質自相互作用的證據相關聯 阿隆索·阿爾瓦雷斯和團隊的研究結果 發表在7月9日的《物理評論快報》雜誌上