暗物质可能为超大质量黑洞“牵线搭桥”

暗物质，宇宙中最神秘的“物质”，可能是一种宇宙媒人，帮助超大质量黑洞克服最后的障碍，最终碰撞并合并为一体。

天文学家已经知道，当星系碰撞形成更大、更畸形的星系时，位于其中心的超大质量黑洞也会相互吸引。最终，这些黑洞也会合并，形成一个更为庞大的超大质量黑洞，并在时空的结构中产生一种高音的“尖叫”，称为引力波。

虽然引力波的探测为我们提供了这种碰撞过程的证据，并且确实成为我们理解超大质量黑洞如何获得相当于数百万甚至数十亿个太阳质量的基础，但仍然存在一个悬而未决的问题。

天体物理学家对超大质量黑洞合并的后期阶段有很好的模型，但科学家们仍然不完全理解这些宇宙巨人如何跨越它们之间大约3.3光年（也称为“秒差距”）的最后距离以触发合并过程。这个问题被称为“最后的秒差距问题”。

新的研究表明，解决方案可能来自黑暗宇宙。暗物质可以帮助超大质量黑洞“破冰”并开始结合过程——但有一个条件（总是有条件的，不是吗？）。这个理论只有在暗物质粒子相互作用时才有效。多伦多大学的研究团队负责人冈萨洛·阿隆索-阿尔瓦雷斯介绍到：“超大质量黑洞合并的过程很复杂，因为它依赖于黑洞相互找到，形成双星系统，然后它们之间的轨道分离逐渐减少，当两个黑洞之间的距离大约为一秒差距时，科学家们担心，因为根据现有的计算，合并似乎会停滞。

“我们建议存在暗物质，暗物质被认为在星系中心非常密集，可以产生显著影响并帮助这些黑洞合并。”

阿隆索-阿尔瓦雷斯解释说，这一发现的令人兴奋之处在于，它基于数学建模，依赖于暗物质的自相互作用。更具体地说，要在黑洞之间“牵线搭桥”，暗物质粒子必须在碰撞时相互散射。

因此，遵循这一理论不仅可以解决最后的秒差距问题，还可能最终揭示暗物质的组成，解开科学中最基本的谜团之一。在讨论暗物质在促进黑洞合并中可能扮演的角色之前，有必要稍作偏离，解释为什么这种神秘的宇宙物质对科学家来说是一个如此令人困扰的问题。

暗物质不与光相互作用——或者，如果有相互作用，那么这种相互作用非常微弱，我们无法检测到。这使得它实际上是不可见的。而且，由于电子、质子和中子——构成日常物质原子的粒子——确实与光相互作用，科学家们知道暗物质不可能由这些粒子组成。

这引发了对标准粒子物理模型之外粒子的广泛搜索。

但这并不是暗物质问题的全部。这种物质不仅可能由不符合我们所拥有的亚原子世界最佳模型的粒子组成，而且在质量方面，它们绝对主导了“日常”物质粒子。暗物质粒子的质量比普通粒子高出5到6倍。这意味着你周围看到的所有“东西”——恒星、行星、卫星、太空中的巨大气体云、其他人类、你的咖啡桌、显示器、鼠标，甚至隔壁的猫——只占宇宙质量的15%。

这意味着宇宙中有很多东西我们无法解释。

我们知道暗物质存在，因为尽管它不与光或普通物质相互作用，但暗物质确实与引力相互作用。当它这样做时，它产生的效应可以影响普通物质和光的行为。例如，如果没有暗物质的引力影响，研究人员发现，由恒星、气体、行星和卫星的质量产生的引力不足以防止它们在绕行时飞散。阿隆索-阿尔瓦雷斯解释说，当星系首次合并时，它们各自的超大质量黑洞相距甚远。最终，它们开始各自向这些合并星系的中心移动，这将成为它们自身合并的地点和新创建的星系的中心。

这种旅程是通过黑洞的能量损失来实现的，并且分为三个不同的阶段。

在“第一阶段”中，黑洞扫过大量恒星并与这些恒星发生引力相互作用。由于这些相互作用，黑洞传递速度并减慢。这种速度的损失使合并中心的质量集中能够引力影响黑洞（有点悠闲地）相互靠近。

在跨越最后的3.3光年并形成双星系统后，这种能量损失仍然很重要，这是这个过程的第三阶段。在这一点上，黑洞绕着彼此旋转，产生引力波。当这些波从双星系统中波动出去时，它们带走了角动量，从而失去了旋转动能。

这种非常有效的能量损失使两个黑洞相互靠近，它们的合并变得不可阻挡。它们的轨道越紧，引力波辐射得越快。最终，随着超大质量黑洞越来越靠近，它们的引力影响占据主导地位，并发生碰撞。

然而，有一个问题，你可能已经注意到了。第二阶段发生了什么？那是失去恒星能量和通过引力波失去能量之间的步骤。

“与恒星的相互作用实际上只有在黑洞彼此相距很远时才有效，所以距离大于一秒差距，而引力波辐射只有在它们距离小于一秒差距的一部分时才真正起作用，”阿隆索-阿尔瓦雷斯说。“在大约一秒差距的距离上，之前的模型中没有任何东西真正起作用，无法提供一种机制使轨道继续缩小。”

这就是暗物质可能发挥作用的地方。阿隆索-阿尔瓦雷斯和同事们建议，当超大质量黑洞达到3.3光年的分离距离并且无法再将能量传递给恒星时，暗物质接管并通过一种称为“动力摩擦”的过程开始剥离能量。

“如果黑洞在这种密集的‘暗物质流体’中移动，那么它们会像物体在粘性液体中移动一样产生摩擦，”阿隆索-阿尔瓦雷斯继续说道。他补充说，如果将暗物质建模为流体，暗物质粒子之间的相互作用赋予它高粘度。对于普通液体，高粘度表示物体通过的难度。例如，水的粘度比糖浆低。

“在这种情况下，这种摩擦仅由引力产生，”阿隆索-阿尔瓦雷斯说。“它从未通过引力以外的力与黑洞相互作用。”

此外，如果这个理论是正确的，那么它也告诉我们一些关于暗物质的事情。并非所有的暗物质模型都表明这种神秘物质的粒子可以相互散射。

“没有暗物质散射，这个机制就无法工作，”阿隆索-阿尔瓦雷斯说。“原因是黑洞通过摩擦损失的能量，暗物质则增加了暗物质粒子的速度。如果没有粘性，暗物质粒子将从这个最终的秒差距区域散开。”

这意味着，经过一段时间后，这个中心区域将不再有足够的暗物质来产生必要的摩擦。

“然而，如果存在暗物质自相互作用，发生的情况是这种能量在星系中心区域的粒子之间重新分配，使暗物质不会散开，”阿隆索-阿尔瓦雷斯补充道。“这是至关重要的。”

暗物质与超大质量黑洞之间的相互作用还可以解释暗物质晕的计算，这些晕的形状无法完全用“冷暗物质”模型解释。这些冷暗物质模型表明，这种神秘物质移动缓慢（因此称为“冷”）且不自相互作用。如果阿隆索-阿尔瓦雷斯及其同事的暗物质媒人理论是准确的，那么可能需要远离冷暗物质。

此外，为了促进暗物质粒子之间的相互作用，必须存在一种未知的“力载体”粒子，这项研究为团队提供了一些关于这种粒子性质的线索。力载体粒子，或称“玻色子”，充当中介，帮助其他粒子相互作用。例如，电磁力使用光子或光粒子作为其力载体，而引力则被假设使用一种称为胶子的玻色子。

“我们一开始非常天真地认为暗物质自相互作用应该只是帮助解决这个最终的秒差距问题，但我们没想到能够预测哪种自相互作用是有利的，”阿隆索-阿尔瓦雷斯继续说道。“随着我们的工作和不断完善计算，我们发现一种非常特殊的模型，其中力载体的质量约为暗物质粒子质量的1%，这是非常优选的，其他任何尝试都不起作用。”“我们为这篇论文所做的计算纯粹是分析性的。我们目前正在开发模拟，以更好地理解这一机制，”阿隆索-阿尔瓦雷斯说。

这位物理学家补充说，这一理论的观测证据可能来自被称为脉冲星计时阵列的高度精确旋转中子星集合，科学家们将其用作精确的宇宙计时器。关键在于研究宇宙的背景“嗡嗡声”，称为“引力波背景”，它起源于宇宙历史上的超大质量黑洞合并。

“可以观察暗物质和摩擦对该信号的影响，并预测暗物质的存在如何改变信号，”阿隆索-阿尔瓦雷斯补充道。“我认为最有趣的是，可以同时将其与在数千秒差距的星系尺度上存在暗物质自相互作用的证据相关联。”

阿隆索-阿尔瓦雷斯和团队的研究结果发表在7月9日的《物理评论快报》杂志上。