暗物質可能有助于在早期宇宙中形成超大質量黑洞 _暗物質

偏振光下銀河系超大質量黑洞人馬座A*的視圖。圖片：歐洲南方天文臺/維基共享資源
據加州大學洛杉磯分校（霍莉·奧伯）：
關鍵要點
1.超大質量黑洞通常需要數十億年才能形成。但詹姆斯·韋伯太空望遠鏡在大爆炸后不久——在它們應該有時間形成之前——就發現了它們。
2.加州大學洛杉磯分校的天體物理學家發現，如果暗物質衰變，它發射的光子會使氫氣保持足夠的溫度，使重力將其聚集成巨大的云，并最終將其凝結成超大質量黑洞。
3.除了解釋早期超大質量黑洞的存在外，這一發現還支持了一種能夠衰變成光子等粒子的暗物質的存在。
像我們銀河系中心的超大質量黑洞需要很長時間才能形成。通常，黑洞的誕生需要一顆質量至少相當于我們太陽50倍的巨星燃盡——這一過程可能需要十億年——并且其核心會自行坍縮。
即便如此，產生的黑洞只有大約10個太陽質量，與我們銀河系中發現的400萬太陽質量的黑洞人馬座a*或其他星系中發現的10億太陽質量的超大質量黑洞相去甚遠。這種巨大的黑洞可以通過氣體和恒星的吸積，以及與其他黑洞的合并，從較小的黑洞形成，這需要數十億年的時間。
那么，為什么詹姆斯·韋伯太空望遠鏡在時間本身的開始附近發現了超大質量黑洞，在它們應該能夠形成之前的億萬年？加州大學洛杉磯分校的天體物理學家有一個和黑洞本身一樣神秘的答案：暗物質阻止氫冷卻足夠長的時間，使重力將其凝結成足夠大、足夠稠密的云，從而變成黑洞而不是恒星。這一發現發表在《物理評論快報》雜志上。
加州大學洛杉磯分校物理學和天文學教授、資深作者亞歷山大·庫森科說：“當宇宙本身只有5億年的歷史時，發現一個具有十億太陽質量的超大質量黑洞是多么令人驚訝。” 。“這就像在恐龍骨骼中找到一輛現代汽車，想知道史前時代是誰造的那輛車。”
一些天體物理學家提出，一團巨大的氣體云可以直接坍縮形成超大質量黑洞，繞過恒星燃燒、吸積和合并的悠久歷史。但有一個問題：引力確實會將一大片氣體聚集在一起，但不會形成一大片氣體。相反，它將部分氣體聚集成彼此靠近的小暈，但不會形成黑洞。
原因是氣體云冷卻得太快。只要氣體是熱的，它的壓力就可以對抗重力。然而，如果氣體冷卻，壓力降低，重力可以在許多小區域中占上風，在重力有機會將整個云層拉入一個黑洞之前，這些小區域會坍縮成致密的物體。

詹姆斯·韋伯望遠鏡拍攝的圖像顯示了J0148類星體以紅色圈出。兩個插圖顯示，頂部是中心黑洞，底部是宿主星系的恒星輻射。圖像：麻省理工學院/美國國家航空航天局
第一作者、博士生陸一凡說：“氣體冷卻的速度與氫分子的數量有很大關系。分子中結合在一起的氫原子在遇到松散的氫原子時會耗散能量。氫分子在吸收熱能并將其輻射出去時會成為冷卻劑。早期宇宙中的氫云有太多的氫分子，氣體冷卻得很快，形成了小的暈而不是大的云。”
Lu和博士后研究員Zachary Picker編寫了代碼來計算這種情況下的所有可能過程，并發現額外的輻射可以加熱氣體并分解氫分子，從而改變氣體的冷卻方式。
陸說：“如果你在一定的能量范圍內添加輻射，它會破壞分子氫，并創造條件防止大型云層碎裂。” 。
但是輻射是從哪里來的呢？
宇宙中只有一小部分物質構成了我們的身體、我們的星球、恒星和我們可以觀察到的其他一切。絕大多數物質，通過其對恒星物體的引力效應和來自遙遠來源的光線的彎曲來檢測，是由一些科學家尚未發現的新粒子組成的。
因此，暗物質的形式和性質仍然是一個有待解決的謎。雖然我們不知道暗物質是什么，但粒子理論家長期以來一直推測，它可能包含不穩定的粒子，這些粒子可以衰變為光子，即光的粒子。在模擬中包括這種暗物質提供了氣體在坍縮成黑洞時留在大云中所需的輻射。
暗物質可以由緩慢衰變的粒子組成，也可以由多種粒子組成：一些是穩定的，一些是早期衰變的。在任何一種情況下，衰變的產物都可能是光子形式的輻射，它會分解分子氫，防止氫云過快冷卻。即使是非常輕微的暗物質衰變也會產生足夠的輻射來阻止冷卻，形成大型云層，最終形成超大質量黑洞。
皮克說：“這可能是為什么超大質量黑洞很早就被發現的解決方案。” 。“如果你樂觀的話，你也可以把這看作是一種暗物質的積極證據。如果這些超大質量黑洞是由氣體云坍縮形成的，那么所需的額外輻射可能必須來自未知的暗區物理學。”

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