暗物质可能有助于早期宇宙中超大质量黑洞的形成

Josiah01 · 发表于 2024-8-31 20:52:34

像我们银河系中心的黑洞这样的超大质量黑洞需要很长时间才能形成。通常，黑洞的诞生需要一颗质量至少相当于我们太阳 50 倍的巨星燃烧殆尽——这个过程可能需要 10 亿年——并且其核心会自行坍缩。
即便如此，由于质量只有约 10 个太阳，因此产生的黑洞与我们银河系中发现的 400 万个太阳质量的黑洞人马座 A* 或其他星系中发现的 10 亿个太阳质量的超大质量黑洞相差甚远。这种巨大的黑洞可以通过较小的黑洞吸积气体和恒星以及与其他黑洞合并而形成，这需要数十亿年的时间。
那么，为什么詹姆斯·韦伯太空望远镜会在时间之初发现超大质量黑洞，比它们应该形成的年代要早很多年呢？加州大学洛杉矶分校的天体物理学家有一个和黑洞一样神秘的答案：暗物质阻止氢冷却足够长的时间，使引力能够将其凝结成足够大、足够密集的云，从而变成黑洞而不是恒星。这一发现发表在《物理评论快报》杂志上。
“宇宙本身只有五亿年的历史，却发现了一个质量达到十亿倍太阳质量的超大黑洞，这真是太令人惊讶了，”加州大学洛杉矶分校物理学和天文学教授、资深作者亚历山大·库森科 (Alexander Kusenko) 说。“这就像在恐龙骨骼中发现一辆现代汽车，却想知道是谁在史前时期制造了这辆车。”
一些天体物理学家认为，一大团气体可能直接坍缩形成超大质量黑洞，从而绕过恒星燃烧、吸积和合并的漫长历史。但有一个问题：引力确实会将一大团气体拉到一起，但不会形成一团大气体。相反，它会将气体的各个部分聚集到小光晕中，这些小光晕会彼此靠近漂浮，但不会形成黑洞。
原因是气体云冷却得太快。只要气体很热，其压力就能抵消重力。然而，如果气体冷却，压力就会降低，重力就会在许多小区域占上风，这些小区域在重力有机会将整个气体云拉入单个黑洞之前就坍缩成致密的物体。
“气体冷却的速度与氢分子的数量有很大关系，”第一作者兼博士生陆一帆说。“分子中结合在一起的氢原子在遇到松散的氢原子时会耗散能量。氢分子吸收热能并将其辐射出去，成为冷却剂。早期宇宙中的氢云含有过多的氢分子，气体迅速冷却，形成了小晕而不是大云。”
卢和博士后研究员扎卡里·皮克编写了代码来计算这种情况下所有可能的过程，并发现额外的辐射可以加热气体并分离氢分子，从而改变气体的冷却方式。
卢说：“如果添加一定能量范围内的辐射，它会破坏氢分子并创造防止大片云层碎裂的条件。”
但辐射从何而来？
宇宙中只有极小一部分物质构成了我们的身体、我们的星球、恒星以及我们能观察到的一切。绝大多数物质是由一些科学家尚未发现的新粒子构成的，这些粒子是通过对恒星物体的引力作用和来自遥远光源的光线的弯曲而探测到的。
因此，暗物质的形式和性质仍是一个有待解决的谜团。虽然我们不知道暗物质是什么，但粒子理论家长期以来一直推测它可能含有不稳定的粒子，这些粒子可以衰变成光子，即光的粒子。在模拟中加入这样的暗物质，提供了气体在坍缩成黑洞时留在大云中所需的辐射。
暗物质可能由缓慢衰变的粒子组成，也可能由多种粒子组成：一些粒子稳定，一些粒子在早期衰变。无论是哪种情况，衰变的产物都可能是以光子形式辐射，光子会分解氢分子并防止氢云冷却过快。即使是非常轻微的暗物质衰变也会产生足够的辐射来阻止冷却，形成大云，最终形成超大质量黑洞。
“这或许可以解释为什么超大质量黑洞很早就被发现，”Picker 说道。“如果你乐观的话，你也可以将其解读为一种暗物质存在的积极证据。如果这些超大质量黑洞是由气体云坍缩形成的，那么所需的额外辐射可能必须来自暗区未知的物理现象。”

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