新的计算表明，由于之前忽视的暗物质粒子的行为，超大质量黑洞对可以合并成一个更大的黑洞，这为长期存在的最终秒差距问题提出了解决方案。
新的计算表明，由于之前忽视的暗物质粒子的行为，超大质量黑洞对可以合并成一个更大的黑洞，这为长期存在的“最终秒差距问题”提出了解决方案。
2023 年，天体物理学家宣布探测到遍布宇宙的引力波“嗡嗡声”。
他们假设，这个背景信号来自数百万对正在合并的超大质量黑洞，每个黑洞的质量都是太阳的数十亿倍。
然而，理论模拟表明，当这些天体成对以螺旋状靠近时，当它们相距大约一秒差距(3.26光年的距离)时，它们的接近就会停止，从而阻止合并。
这个“最后的秒差距问题”不仅与超大质量黑洞合并是引力波背景来源的理论相冲突，而且与超大质量黑洞由较小质量黑洞合并而形成的理论相矛盾。
多伦多大学和麦吉尔大学的博士后研究员 Gonzalo Alonso-Álvarez 博士说：“我们表明，包括之前被忽视的暗物质效应在内，可以帮助超大质量黑洞克服最后的分离和合并。”
“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。”
人们认为超大质量黑洞位于大多数星系的中心，当两个星系相撞时，超大质量黑洞就会落入彼此的轨道。
当它们相互旋转时，附近恒星的引力会拉动它们并减慢它们的速度。
结果，超大质量黑洞螺旋向内旋转，朝着合并的方向发展。
先前的合并模型显示，当超大质量黑洞接近到大约一秒差距以内时，它们开始与它们所嵌入的暗物质云或光晕相互作用。
他们指出，螺旋式超大质量黑洞的引力会将暗物质粒子抛出系统，从而导致暗物质稀疏，意味着不会从这对黑洞中吸取能量，它们的相互轨道也不再收缩。
虽然这些模型忽略了暗物质对超大质量黑洞轨道的影响，但阿隆索-阿尔瓦雷斯博士和他的同事提出的新模型表明，暗物质粒子以不会分散的方式相互作用。
暗物质晕的密度仍然足够高，以至于粒子和超大质量黑洞之间的相互作用会继续降低超大质量黑洞的轨道，从而为合并扫清道路。
阿隆索-阿尔瓦雷斯博士说：“暗物质粒子相互作用的可能性是我们做出的一个假设，是并非所有暗物质模型都包含的一个额外因素。”
“我们的论点是，只有具备该要素的模型才能解决最终的秒差距问题。”
这些巨大的宇宙碰撞产生的背景嗡嗡声是由波长比天体物理学家操作激光干涉引力波天文台 (LIGO) 于 2015 年首次探测到的波长长得多的引力波组成的。
这些引力波是由两个黑洞合并产生的，两个黑洞的质量均为太阳的 30 倍左右。
近年来，操作脉冲星计时阵列的科学家已经探测到了背景嗡嗡声。
该阵列通过测量脉冲星(快速旋转并发射强射电脉冲的中子星)信号的微小变化来揭示引力波。
麦吉尔大学和欧洲核子研究中心的天文学家詹姆斯·克莱恩教授说：“我们的提案预测，脉冲星计时阵列观测到的引力波频谱在低频下应该会变得软化。”
“目前的数据已经暗示了这种行为，未来几年的新数据可能能够证实这一点。”
除了提供对超大质量黑洞合并和引力波背景信号的深入了解之外，新成果还为了解暗物质的本质提供了一个窗口。
“我们的工作是一种帮助我们了解暗物质粒子性质的新方法，”阿隆索-阿尔瓦雷斯博士说。
“我们发现黑洞轨道的演化对暗物质的微观物理非常敏感，这意味着我们可以利用超大质量黑洞合并的观测来更好地了解这些粒子。”
例如，研究人员发现，他们模拟的暗物质粒子之间的相互作用也解释了银河系暗物质晕的形状。
“我们发现，只有当暗物质粒子以能够改变银河系尺度上暗物质分布的速率相互作用时，最终的秒差距问题才能得到解决，”阿隆索-阿尔瓦雷斯博士说。
“这是出乎意料的，因为这些过程发生的物理尺度相差三个或更多数量级。这令人兴奋。”
该团队的研究成果发表在《物理评论快报》杂志上。
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