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神秘“巨婴”来历不明,天文学家:它们属于未知的维度

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星空天文 2021-06-19 08:02

超大质量黑洞可能是由暗物质坍缩而成的。

ESO

几乎每个大型星系的中心都有超大质量黑洞,它们的质量至少在太阳几百万倍以上。但是近年的研究表明,它们的存在似乎不合常理。因为科学家发现,超大质量黑洞在宇宙十分年轻时就出现了,堪称“巨婴”。

感谢大自然赐予我们“时光机”。在我们看来,宇宙中的天体距离越遥远,它们所在的时间就越接近宇宙的初期。因此,科学家能够在宇宙年龄仅有当前6%的时空中,发现质量相当于太阳10亿倍的黑洞。通过低概率的黑洞合并,黑洞不可能在这么短的时间内就生长得这么大。因此超大质量黑洞的成因至今是个谜。

科学家最新提出的一个新理论认为,超大质量黑洞的雏形可能是由暗物质晕坍缩而成的。

暗物质晕理论上包裹着每个星系或星系团。没有它的引力维系,星系、星系团都将分崩离析。

虽然物理学家到目前为止都没有在实验室里发现过暗物质,但是基于大量间接的观测证据,大多数科学家都相信暗物质的存在。占据宇宙质量85%的暗物质至关重要,尽管我们怎么也看不到它,仿佛它存在于另一个维度一样。

探究超大质量黑洞的成因有两个思路。其一是它们的雏形本身就很大,其二是它们的生长速度奇快。但是人们一直苦于想不出,黑洞雏形的质量如何才能足够大?抑或它们生长的速度又如何能够那么快?

流行的观点认为,超大质量黑洞是早期宇宙原始星系中的原初气体坍缩而成的。但是许多新发现的超大质量黑洞初始质量,要远远大于该理论框架下黑洞雏形所拥有的质量,除非这些黑洞雏形的生长速度快得惊人。

而参与新研究的科学家则认为,假如暗物质拥有某种特性,那么质量巨大的暗物质晕,就能够坍缩成黑洞的雏形。

研究人员认为,如果暗物质粒子拥有自我相互作用的能力,那么暗物质晕就会引起引力热坍缩效应。在引力热坍缩效应下,暗物质晕会在其中心形成一个质量足够大的黑洞雏形。这个黑洞雏形只要按一般预期速度生长,就会在较短时间内,变成超大质量黑洞。

一般来说,暗物质粒子会在引力的作用下聚集在一起,形成暗物质晕。而在这个晕的发展过程中,会出现引力和压力这两种相反的力。引力将会把暗物质粒子拉在一起,而压力又将会把它们分开。

研究人员认为,假如暗物质没有自我相互作用的能力,那么在被引力拉向晕中心的过程中,它们会变得越来越“热”,运动速度也会变得越来越快。增加的压力会将它们拆散,最终无法聚集在一起。

但是假如暗物质拥有自我相互作用的能力,那么在此过程中,“热”会从“温度”较高的部分传递给“温度”较低的部分。暗物质粒子也就比较不容易被拆散,最终也能够聚集在一起。

暗物质晕中心拥有角动量,也就是说它会自转。假如暗物质拥有自我相互作用的能力,暗物质晕中心就会变得“黏稠”,角动量会被这种“黏稠”抵消。而这会推进坍缩的发生。坍缩的进程一旦开始,确定质量的晕中心区域,半径会缩小,自转速度会下降,最终变成一个奇点。一个超大质量黑洞的雏形由此诞生。

该理论的吸引人之处,是这样的黑洞雏形质量相当大,足够其在较短的时间内,迅速变成一个超大质量黑洞。

参考
Seeding Supermassive Black Holes with Self-interacting Dark Matter: A Unified Scenario with Baryons
http://dx.doi.org/10.3847/2041-8213/ac04b0

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