暗物质粒子可能是超大质量黑洞合并之谜的关键

如果解释正确，它将解决物理学中的一个重大问题，并为解决更大的问题做出重大贡献。

当黑洞被物质包围时，它们很容易彼此坠落，但一旦所有附近的物质都被排出，它们如何穿过最后一段就需要一些解释。

图片来源：美国宇航局戈达德太空飞行中心/Scott Noble；模拟数据，d'Ascoli 等人。 2018年

理论上的暗物质粒子可以解释星系中心的超大质量黑洞（SMBH）如何合并。这个想法还可以解释更大范围内暗物质行为的一些无法解释的特征。

超大质量黑洞是理解宇宙许多最重要特征的关键，从遥远的类星体发出的光到元素在星系中的分散方式。然而，我们仍然不了解它们的一些最重要的行为，包括它们如何合并。所谓“最终秒差距问题”是指星系合并模型表明，其核心的超大质量黑洞的合并应该不会非常罕见。相反，模型表明，它们通常应该靠得更近，直到相距几光年，但只有以极其缓慢的速度才能跨越最后的差距。

尽管我们看到一些超大质量黑洞相互绕转的例子，但也有很多星系与单个超大质量黑洞合并的例子。此外，如果中小企业几乎不合并，就很难解释为什么有些中小企业会变得如此巨大。还有证据表明，尽管尚未得出结论，此类合并产生的引力波背景会影响脉冲星的计时。不知何故，许多人似乎找到了穿越最后秒差距（3.26 光年）的方法。一篇新论文提出暗物质粒子是关键。 

超大质量黑洞不像带相同电荷的粒子那样相互排斥，因此它们合并的一种方法是通过正面碰撞。然而，这种情况太罕见，无法解释观察到的分布。更常见的是，它们落入共同轨道，就像它们的较小对应物，恒星黑洞有时会这样做一样。在这两种情况下，距离都会随着引力波带走部分能量而缓慢衰减。

然而，超大质量黑洞是如此巨大，以至于它们的轨道携带着惊人的能量。为了使其快速分散，需要转移到附近的物质，这一过程称为动态摩擦。最初，动态摩擦效果很好，但接收传递能量的物质很快离开该区域，这是动能增加的不可避免的结果。一旦超大质量黑洞清除了附近的物质，动态摩擦就会停止。如果引力波成为分散能量的唯一方法，那么接近的速度将减慢到合并需要比当前宇宙年龄更长的时间。

因此，物理学家推断，一定存在其他一些分散能量的过程，但其本质仍然是个谜。多伦多大学的贡萨洛·阿隆索·阿尔瓦雷斯博士领导的团队认为他们已经找到了解决方案。

阿隆索-阿尔瓦雷斯在一份声明中说：“我们表明，包括以前被忽视的暗物质的影响可以帮助超大质量黑洞克服最后的分离和合并差距。” “我们的计算解释了这种情况是如何发生的，与之前的想法相反。”

由于我们不知道暗物质是什么，我们无法确定它的粒子将如何表现，特别是在如此极端的情况下。以前的模型假设超大质量黑洞附近的任何暗物质也会被加速离开，因此当超大质量黑洞相距一秒差距左右时，就没有足够的剩余物质来引起进一步的轨道衰变。

然而，阿隆索-阿尔瓦雷斯和合著者考虑了另一种选择，即暗物质粒子之间的相互作用阻止了它们的扩散。阿隆索-阿尔瓦雷斯说：“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。” “我们的观点是，只有具有这种成分的模型才能解决最终的秒差距问题。”

如果没有找到这些粒子并观察它们的相互作用，团队就无法确定它们是正确的，但有更多的实际测试可以增强信心。特别是，如果它们是正确的，那么超大质量黑洞产生的引力波的低频端应该显示出特定的特征。 “目前的数据已经暗示了这种行为，未来几年新的数据可能会证实这一点，”麦吉尔大学的合著者詹姆斯·克莱恩教授说。

如果暗物质粒子不存在，它们就无法相互作用。大多数物理学家都相信他们能做到这一点，但近年来，我们未能找到这些粒子，导致少数对这一想法提出异议的人变得更加直言不讳。如果超大质量黑洞引力波显示出作者所期望的模式，那么即使我们仍然无法识别粒子本身，对暗物质存在的任何怀疑都会消失。

这样的确认也将扩大我们对暗物质的了解，并具有更广泛的影响。 “我们的工作是帮助我们了解暗物质粒子性质的新方法，”阿隆索-阿尔瓦雷斯说。这种相互作用会影响星系周围暗物质晕的形状，使模型更符合星系团簇的方式。 “这是出乎意料的，”阿隆索-阿尔瓦雷斯说，“因为这些过程发生的物理尺度相差三个或更多数量级。这太令人兴奋了。”

该研究在《物理评论快报》上开放获取。