超大质量黑洞的质量介于100万～100亿倍太阳质量。银河系的中心就蛰伏着一个超大质量黑洞——人马座A*，它的质量是太阳质量的400万倍。

令人惊讶的是，已有的观测数据表明，在宇宙诞生后不久，超大质量黑洞就已经存在了——在宇宙“8亿岁”时，就存在着10亿倍太阳质量的黑洞。

但是，这些超大质量黑洞是如何产生的呢？

撰稿 | Iqbal Pittalwala

编译 | 乔木

图源 | pixabay/pexels

种子黑洞快速生长

美国加利福尼亚大学河滨分校的研究团队提出了一种解释：暗物质晕坍缩产生了一个巨大的种子黑洞——处于新生阶段的黑洞，类似于人类生命中的婴儿阶段。

暗物质晕是围绕在星系或星系团周围的不可见物质形成的晕圈。虽然从未在实验室里直接探测到暗物质，但物理学家相信这种神秘物质是存在的，且占宇宙物质总量的85%。

但令物理学家不解的是，在早期宇宙中，位于暗物质晕中心的超大质量黑洞为什么能在如此短的时间内生长到如此巨大。

加利福尼亚大学河滨分校的物理学和天文学副教授于海波说：“这就像一个年仅5岁的孩子，体重却高达90千克。这是非常惊人的，因为一般来说，新生儿不应该有这么重。物理学家对种子黑洞的质量以及生长速度也有一个普遍预测，但超大质量黑洞与这些预测并不相符。”

“我们可以想到的原因有两个，”于海波补充，“种子黑洞，或者说‘婴儿黑洞’，要么质量比我们想象的大得多，要么生长速度比我们想象的快得多，或者这两个原因同时存在。如果是这样的话，那就产生了新的问题：这么大的种子黑洞是如何产生的？种子黑洞快速增长的物理机制是什么？”

美国芝加哥大学卡弗里理论物理研究所的研究员钟益鸣也参与了这项研究，他说：“黑洞通过吸积周围的物质来变得更大，但这需要时间。我们的研究表明，如果暗物质存在自身交互，那么暗物质晕的坍缩就可能生成一个质量足够大的种子黑洞，这个黑洞的生长速度也会更符合普遍预测。”

引力不稳定导致暗物质晕坍缩

在天体物理学中，还有一种用来解释超大质量黑洞的形成机制，即在早期宇宙，原星系中的原始气体坍缩形成了种子黑洞。

然而，于海波说：“这种机制并不能产生质量足够大的种子黑洞。除非种子黑洞的生长速度非常快，否则我们应该无法观测到超大质量黑洞。于是，我们在研究中提出了另一种解释：自身交互的暗物质晕因引力不稳定，中心区域坍缩形成了种子黑洞。”

于海波和同事提出的运行机制如下：暗物质粒子首先在引力的作用下聚集在一起，形成暗物质晕。在暗物质晕的演化过程中，引力和压力相互竞争、共同作用（引力让暗物质粒子向中心聚集，压力让它们向外扩散）。

如果暗物质粒子没有自身交互作用，那么，当引力将它们拉向暗物质晕中心时，它们的热能会增加，从而运动得更快。此时，压力也会随之增加，让暗物质粒子远离中心。然而，在暗物质自身交互作用的情况下，向中心聚集的粒子会将热量传递给附近热量较低的粒子，这使得暗物质粒子难以远离中心。

于海波解释说，暗物质晕中心会坍缩成黑洞，生成的黑洞具有角动量，能够旋转。而黑洞的自身交互会导致黏滞，即“摩擦”，消散角动量。在坍缩过程中，由于黏滞的原因，质量固定的暗物质晕中心半径缩小，自旋速度减慢，最终坍缩成一种奇态：种子黑洞。这颗“种子”可以通过吸积周围物质，如气体和恒星等可见物质，来让自己变得更大。

“按照我们的设想，种子黑洞的质量可以变得很大，因为它是暗物质晕坍缩形成的，”于海波说，“因此，它可以在相对较短的时间内成长为超大质量黑洞。”

重子加快坍缩过程

这项研究是新颖的，因为研究人员确定了重子（普通的原子和分子粒子）对实现这一想法的重要性。

“首先，我们证明了重子的存在，比如气体和恒星，能够显著加快暗物质晕坍缩的过程，从而促进种子黑洞的形成。”于海波的学生冯维祥说，“其次，我们证明了黑洞的自身交互会导致黏滞，消散暗物质晕中心残留的角动量。第三，我们开发了一种方法来研究什么条件会引发暗物质晕坍缩，如果条件得到满足，就会形成种子黑洞。”

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参考资料

[1]https://www.sciencedaily.com/releases/2021/06/210616143257.htm