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
虽然仍然是理论上的，但新的SIDM模型可能有助于解决另一个难题。当黑洞相距甚远时，它们会辐射出非常长的引力波，就像相隔甚远的海浪波峰。随着黑洞螺旋越来越近，波峰也越来越近。但脉冲星计时的测量表明，当它们靠得更近时，波峰的高度会更小——天文学家称之为光谱的“软化”效应。
当他们使用普通暗物质时，没有这种软化，但当团队引入SIDM时，暗物质尖峰不仅吸收了能量，还软化了引力波谱。
“我们的建议的一个预测是，脉冲星计时阵列观测到的引力波频谱应该在低频下软化，”该研究的合著者、瑞士麦吉尔大学和欧洲核子研究中心理论物理系的教授James Cline在声明中说。“目前的数据已经暗示了这种行为，新的数据可能会在未来几年内证实这一点。”
如果脉冲星计时阵列的未来测量证实引力波谱的软化，科学家们可能最终能够从宇宙中一些最大的巨星的行为中更多地了解暗物质难以捉摸的特性。
