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合并的超大质量黑洞如何通过最后的秒差距？

2024-10-28 09:54阅读：

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合并的超大质量黑洞如何通过最后的秒差距？
在星系中心的巨大黑洞不应该来合并而它们确实合并。科学家们提出一种不寻常的暗物质形式可能是解决方案。
ASTROPHYSICS

在这个仿真中，围绕一对彼此环绕超大质量黑洞的明亮色彩的气体流。Luciano Combi et al 2022 ApJ 928 187
ByJonathan O'Callaghan
Contributing Writer
October 23, 2024
在宇宙历史的过程中星系一直合并成越来越大的结构。当星系合并时位于它们中心的超大质量黑洞最终也一定合并，形成一个甚至更大的黑洞。
不过几十年来，一个问题已经困扰了天体物理学家：超大质量黑洞如何能足够靠近一起螺旋并合并呢？在计算中当会聚洞达到所谓的最终秒差距时——大约一个3.26光年的秒差距——它们的进展停滞。它们基本上应该无限的环绕彼此。
范德比尔特大学的天体物理学家斯蒂芬·泰勒说，“人们认为处于螺旋时间中可能高达……宇宙的年龄。人们担心你可能不会得到任何合并的黑洞” 。
证据已经堆积到它们确实合并。去年被称为脉
冲星计时阵列的脉动恒星的微妙运动观测揭示了宇宙中一个引力波的背景嗡嗡声——空时织造中的涟漪。这些引力波最可能来自在一秒差距内彼此紧密环绕接近要合并的超大质量黑洞。佛罗里达大学的天体物理学家布列查说，“这是我们的第一个黑洞双确实克服最终的秒差距问题的证明”。
如此他们是如何做到它的呢？
天体物理学家有一个新建议：暗物质可能削弱来自两个黑洞的角动量并轻促它们更靠近。
合并的超大质量黑洞如何通过最后的秒差距？
多伦多大学的物理学家阿尔瓦雷斯（Gonzalo Alonso-Álvarez）认为，一种粘性暗物质可能对最终秒差距问题是解决方案。Courtesy of Gonzalo Alonso-Alvarez
暗物质是宇宙中85%未被发现的物质的术语。我们能在星系上和宇宙结构看到它的引力效应，但此刻我们不能计算出它是什么。可能包含这种不可见物质形式的最简单的假设粒子将在促进黑洞合中没有帮助。但今年夏天，加拿大的一组物理学家争论了叫自相互作用暗物质的某些更复杂的东西可以。
这些粒子可以拖在超大质量黑洞上足够掉落它们在彼此的一秒差距内。多伦多大学理论物理学家、该研究的作者之一贡萨洛·阿隆索·阿尔瓦雷斯说，如果这种解释是正确的，它将“告诉你暗物质并不像我们想的那么简单”。
然后在9月，另一组物理学家指出另一种有时叫模糊暗物质的暗物质的候选者也可以做这一伎俩。
多年来也提出了更多平淡无奇的解决方案。在这一系列选择中——有些是平凡的、有些是异域的——科学家们正在设计来针对彼此测试这些可能性的方法。
西弗吉尼亚大学的理论天体物理学家麦克威廉姆斯（Sean McWilliams）说，“在这一点上大多数社区都许可最终秒差距问题被解决” 。他研究了这个问题的几种解决方案。“唯一的问题是解决这个问题的最有效方法是什么？”
两个来跳探戈
小黑洞——恒星大小的天体密度如此之高以至于它们的引力陷住任何太近的东西甚至光——被散布在整个星系中。它们由单个恒星的引力坍塌形成。但在星系中心发现的超大质量黑洞能是重量达数十亿个太阳的是更神秘的和有影响力的。它们不知怎的转向它们周围星系的形成和演化。
当两个星系合并时与恒星、气体和暗物质的引力相互作用造成两个超大质量黑洞缓慢的吃彼此落下。天体物理学家于1980年首次描述了这一叫动态摩擦的过程。威斯康星大学麦迪逊分校的天体物理学家胡泊尔（Dan Hooper）说，“这被认为是黑洞更靠近的主要方式”。
合并的超大质量黑洞如何通过最后的秒差距？

Merrill Sherman for Quanta Magazine
胡泊尔说然而在某一点上依靠黑洞的质量技术上从几分之一秒差距到几秒差距范围动态摩擦“原来是停止是非常有效的”。在这里，在聚结星系的中心两个黑洞吃物质并扔掉它切割出一个缺口。因此恒星和气体的密度急剧下降，留下黑洞处于相对空的空间。没有东西围绕它们来减缓它们的速度，它们应该然后几乎无休止地环绕彼此。
阿隆索-阿尔瓦雷斯说，“地球正在环绕太阳，我们不会落进彼此” 。对两个黑洞同样应该是真的。“在轨道中有一个角动量守恒防止它们坠落，除非有什么东西正在提取这种能量” 。
正如阿隆索-阿尔瓦雷斯及其同事在7月份的《物理评论快报》中提出的那样，自相互作用暗物质可以起这一角色。这种类型不同于所谓的冷暗物质，冷暗物质是最简单的一种假想暗物质粒子，它将是重的、慢的和惰性的。冷暗物质除了经由引力不会与任何东西相互作用，因此黑洞的引力影响应该在黑洞达到最终秒差距之前把它踢出附近。
然而，自相互作用暗物质由轻重量粒子组成，这些粒子之间至少有一个作用力。因为自相互作用的暗物质粒子像一张桌子上的台球一样彼此分散开，它们不会那么容易散开而是拉在黑洞的脚跟上，减缓它们的速度。阿隆索-阿尔瓦雷斯说，“它呆在那里并产生摩擦，它有某种粘性” 。这种摩擦可能然后在1亿年内造成合并，解决最终的秒差距问题。
“超轻”或“模糊”暗物质将由质量极小的粒子组成，这些粒子会一起聚集来形成巨浪。韩国江湾大学的宇宙学家、9月份《物理快报B》上描述这一想法的一篇论文的合著者贾文丽（Jae Weon Lee）说，这些粒子也会在星系中心集中并体验与黑洞摩擦，允许模糊的暗物质来“有效的带走它们的角动量和轨道能量”，黑洞将造成这种暗物质像一个钟一样振动而不是分散。
奥卡姆剃刀
我们需要来引用这种异域的物理学来解释超大质量黑洞如何合并并不是每一个人都信服的。耶鲁大学的理论天体物理学家纳塔拉见（Priyamvada Natarajan）说，“我不会说我们需要自相互作用暗物质”。
另一种可能性是恒星可能摆动通过的合并的黑洞，并消除足够的角动量来将它们带在一起。也许恒星通过与其他恒星相互作用从星系的其他地方随机的抛向黑洞的方向。哈佛大学理论天体物理学家法比奥·帕库奇（Fabio Pacucci）说，“如果你有很多靠近两个超大质量黑洞中心的这样的恒星，那么你能提取越来越多的角动量”。
合并的超大质量黑洞如何通过最后的秒差距？
佛罗里达大学的天体物理学家布列查（Laura Blecha）争论一个第三个黑洞可能是关键。John Hames
然而，建模已经表明很难朝向黑洞散布足够的恒星来解决最终的秒差距问题。
或者，每个黑洞围绕它可能都有一个小的气体盘，这些气体盘可能从一个围绕被黑洞雕刻出的空的区域更宽的盘吸入物质。泰勒说 “它们周围的圆盘被从更宽的圆盘馈送”，这意味着反过来它们的轨道能量能泄漏进更宽的盘中。纳塔拉见说，“这似乎是一个非常有效的解决方案，有很多气体可利用” 。
今年1月，布列查和她的同事们调查了系统中一个第三个黑洞提供一个解决方案的想法。在某些两个黑洞已经停滞的案例中另一个星系可能开始来与前两个星系合并，给它带来另一个黑洞。布列查说 “你能有一个强的三体互动。它能带走能量，大大降低合并时间尺度” 。在某些场景中，三个洞中最轻的一个被甩出，但在其他中所有三个合并。
在地平线上测试
现在任务是计算出哪种解决方案是正确的，或者是否有多个过程在起作用。
阿隆索-阿尔瓦雷斯希望通过在即将到来的脉冲星计时阵列数据中寻求一个自相互作用暗物质的信号来检验他的想法。一旦黑洞比最终秒差距更近，它们主要通过发射引力波脱掉它们的角动量。但如果自相互作用暗物质在起作用，那么我们应该看到它围绕秒差距极限一个距离消弱一些能量。阿隆索-阿尔瓦雷斯说，这反过来又会使引力波更低能量的。
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加州大学河滨分校的粒子物理学家海博宇（Hai-BoYu）是一个自我交互暗物质的倡导者，他说这个想法是可行的。他说 “这是一条从引力波物理学中寻找暗物质微观特征的途径。我认为这是刚好有趣的” 。
欧洲航天局的激光干涉仪空间天线（LISA）航天器，一个将于2035年发射的引力波天文台可能给我们甚至更多的答案。激光干涉仪空间天线将拾起由超大质量黑洞在它们的最后几天合并发出的强引力波。帕库奇说，“用激光干涉仪空间天线，我们实际上将看到超大质量黑洞合并”。该信号的性质可以揭示“显示慢过程的特定特征”，解决最终的秒差距问题。
https://www.quantamagazine.org/how-do-merging-supermassive-black-holes-pass-the-final-parsec-20241023/

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