研究：超大质量黑洞合并或可由暗物质解释

包括多伦多大学冈萨洛·阿隆索-阿尔瓦雷斯在内的一组天体物理学家已经证明，成对的超大质量黑洞可以合并成一个更大、单一的黑洞——这是解决所谓“最终秒差距问题”的一项重大突破。

这个长期存在的天体物理学问题是指宇宙间渗透的引力信号检测与理论模拟之间的不一致。天体物理学家先前推测，这些信号来自数百万对合并的超大质量黑洞（SMBH），但理论模拟却表明，当SMBH之间的距离大约为1秒差距（约3光年）时，它们的接近就会停滞。

“最终秒差距问题”不仅与SMBH合并是引力波背景来源的理论相冲突，而且也与SMBH——每个SMBH的质量都是太阳的数十亿倍——由较小质量黑洞合并而来的理论相矛盾。

这项新研究发表在《物理评论快报》上，表明SMBH对确实可以突破1秒差距的障碍并合并成一个单一的黑洞。这是通过计算来证明的，这些计算表明，由于先前被忽视的与它们周围巨大暗物质云内粒子的相互作用，SMBH会继续相互靠近。

“我们表明，包括先前被忽视的暗物质效应，可以帮助超大质量黑洞克服这最后的秒差距分离并合并，”阿隆索-阿尔瓦雷斯说，他是多伦多大学艺术与科学学院物理系以及麦吉尔大学物理系和特罗蒂埃太空研究所的博士后研究员，也是该论文的第一作者。“我们的计算解释了这与之前认为的不同之处，说明了它是如何发生的。”

据认为，SMBH大多位于星系的中心。当两个星系相撞时，SMBH会落入彼此的轨道；当它们围绕彼此旋转时，附近恒星的引力会牵引并减缓它们，使它们螺旋向内并合并。

先前的合并模型表明，当SMBH接近到大约1秒差距时，它们开始与嵌入其中的暗物质云或晕相互作用。这些模型表明，螺旋式SMBH的引力会将暗物质粒子清除出系统。

阿隆索-阿尔瓦雷斯和共同作者詹姆斯·克莱恩（麦吉尔大学和瑞士欧洲核子研究中心教授）以及凯特琳·杜瓦（麦吉尔大学研究生）提出的新模型揭示，暗物质粒子以某种方式相互作用，以至于它们不会被分散。暗物质晕的密度仍然足够高，以至于粒子与SMBH之间的相互作用继续使SMBH的轨道退化——为合并扫清道路。

“暗物质粒子相互作用的可能性是我们提出的一个假设，是并非所有暗物质模型都包含的一个额外成分，”阿隆索-阿尔瓦雷斯说。“我们的论点是，只有包含这一成分的模型才能解决最终秒差距问题。”

这些巨大的宇宙碰撞产生的背景嗡嗡声是由引力波组成的，其波长比天体物理学家于2015年首次通过激光干涉引力波天文台（LIGO）检测到的引力波长得多。那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，科学家通过脉冲星计时阵列检测到了这种背景嗡嗡声。该阵列通过测量来自脉冲星（快速旋转的中子星，发射强烈的无线电脉冲）的信号的微小变化来揭示引力波。

除了提供对SMBH合并和引力波背景信号的深入了解外，这一新结果还为我们提供了了解暗物质性质的一个窗口。“我们的工作是一种新的方式，有助于我们了解暗物质的粒子性质，”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学非常敏感，这意味着我们可以利用对超大质量黑洞合并的观测来更好地了解这些粒子。”

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星系暗物质晕的形状。

“我们发现，只有暗物质粒子以能够改变星系尺度上暗物质分布的速度相互作用，才能解决最终秒差距问题，”阿隆索-阿尔瓦雷斯说。

“这是出乎意料的，因为发生这些过程的物理尺度相差三个或更多数量级。这令人兴奋。”