超大質(zhì)量黑洞,或超大質(zhì)量黑洞,黑洞的質(zhì)量,幾百萬(wàn)到幾十億倍太陽(yáng)質(zhì)量。 銀河系主機形成超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量幾百萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量。 令人驚訝的是,當宇宙天體物理的觀(guān)測表明,超大質(zhì)量黑洞已經(jīng)存在很年輕。 例如,十億太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞是發(fā)現當宇宙只是6%的當前的時(shí)代,137億年。 這些超大質(zhì)量黑洞在早期宇宙如何產(chǎn)生?
由加州大學(xué)河濱分校的一位理論物理學(xué)家領(lǐng)導的團隊提出了一個(gè)解釋?zhuān)喊滴镔|(zhì)暈的坍塌可能會(huì )產(chǎn)生一個(gè)巨大的種子黑洞。暗物質(zhì)暈是圍繞星系或星系團的不可見(jiàn)物質(zhì)暈。盡管實(shí)驗室從未發(fā)現過(guò)暗物質(zhì)，但物理學(xué)家仍然相信這種占宇宙物質(zhì) 85% 的神秘物質(zhì)存在。如果星系的可見(jiàn)物質(zhì)沒(méi)有嵌入暗物質(zhì)暈中，這種物質(zhì)就會(huì )飛散。
加州大學(xué)河濱分校物理學(xué)和天文學(xué)副教授于海波說(shuō)：“物理學(xué)家很困惑，為什么早期宇宙中位于暗物質(zhì)暈中心區域的 SMBH 會(huì )在短時(shí)間內如此大規模地增長(cháng)。”領(lǐng)導了發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志快報》上的研究。 “這就像一個(gè)重達 200 磅的 5 歲孩子。這樣的孩子會(huì )讓我們所有人感到驚訝，因為我們知道新生兒的典型體重以及這個(gè)嬰兒的生長(cháng)速度。談到黑洞，物理學(xué)家對種子黑洞的質(zhì)量及其增長(cháng)率有著(zhù)普遍的期望。SMBH的存在表明這些普遍的期望已經(jīng)被打破，需要新的知識。這很令人興奮。”種子黑洞是初始階段的黑洞——類(lèi)似于人類(lèi)生命中的嬰兒階段?！拔覀兛梢韵氲絻蓚€(gè)原因，”于補充說(shuō)。 “種子——或‘嬰兒’——黑洞要么比我們想象的要大得多，要么比我們想象的增長(cháng)得快得多，或者兩者兼而有之。隨之而來(lái)的問(wèn)題是產(chǎn)生足夠大的種子黑洞的物理機制是什么，或者達到足夠快的增長(cháng)率？”
“黑洞通過(guò)吸積周?chē)镔|(zhì)而變得巨大需要時(shí)間，”共同作者、芝加哥大學(xué)卡夫利宇宙物理研究所的博士后研究員 Yi-Ming Zhong 說(shuō)。 “我們的論文表明，如果暗物質(zhì)具有自相互作用，那么光暈的引力坍縮會(huì )導致一個(gè)足夠大的種子黑洞。它的增長(cháng)率將更符合一般預期。”在天體物理學(xué)中，用于解釋 SMBH 的一種流行機制是早期宇宙中原星系中原始氣體的坍縮?！叭欢?，這種機制無(wú)法產(chǎn)生足夠大的種子黑洞來(lái)容納新觀(guān)察到的 SMBH——除非種子黑洞經(jīng)歷了極快的增長(cháng)，”于說(shuō)。 “我們的工作提供了另一種解釋?zhuān)阂粋€(gè)自相互作用的暗物質(zhì)暈經(jīng)歷了重力熱不穩定性，其中心區域坍塌成一個(gè)種子黑洞。”
暗物質(zhì)粒子首先在引力作用下聚集在一起，形成暗物質(zhì)暈。在光環(huán)的演化過(guò)程中，有兩種相互競爭的力量——重力和壓力——在起作用。當重力向內拉暗物質(zhì)粒子時(shí)，壓力將它們向外推。如果暗物質(zhì)粒子沒(méi)有自相互作用，那么，當重力將它們拉向中心暈時(shí)，它們會(huì )變得更熱，也就是說(shuō)，它們移動(dòng)得更快，壓力有效增加，然后它們會(huì )反彈回來(lái)。然而，在自相互作用暗物質(zhì)的情況下，暗物質(zhì)自相互作用可以將熱量從那些“較熱”的粒子傳輸到附近較冷的粒子。這使得暗物質(zhì)粒子很難反彈。
于解釋說(shuō)，會(huì )坍縮成黑洞的中央光暈具有角動(dòng)量，這意味著(zhù)它會(huì )旋轉。自相互作用會(huì )引起粘性或“摩擦”，從而消散角動(dòng)量。在坍縮過(guò)程中，具有固定質(zhì)量的中心暈由于粘性而半徑縮小并減慢旋轉速度。隨著(zhù)進(jìn)化的繼續，中央暈最終坍縮成一個(gè)單一的狀態(tài)：一個(gè)種子黑洞。這種種子可以通過(guò)吸積周?chē)闹刈樱ɑ蚩梢?jiàn)的）物質(zhì)（如氣體和恒星）而變得更大。
“我們設想的優(yōu)勢在于種子黑洞的質(zhì)量可能很高，因為它是由暗物質(zhì)暈的坍塌產(chǎn)生的，”于說(shuō)。 “因此，它可以在相對較短的時(shí)間內成長(cháng)為一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。”這項新工作的新穎之處在于，研究人員確定了重子——普通的原子和分子粒子——對這一想法起作用的重要性。
“首先，我們證明重子的存在，如氣體和恒星，可以顯著(zhù)加速光暈引力坍縮的開(kāi)始，并且可以足夠早地產(chǎn)生種子黑洞，”于的研究生馮偉祥說(shuō)。和論文的合著(zhù)者。 “第二，我們展示了自相互作用可以引起粘性，從而消散中央暈的角動(dòng)量殘余。第三，我們開(kāi)發(fā)了一種方法來(lái)檢查觸發(fā)坍縮暈的一般相對論不穩定性的條件，這確保了種子黑洞可以滿(mǎn)足條件的情況下形成。”