在一项新的研究中，加拿大的科学家提出了一种利用自作用暗物质解决超大质量黑洞(SMBH)合并的最终秒差距问题的方法。
当两个星系合并时，气体和尘埃会碰撞，从而形成恒星。然而，恒星本身由于距离遥远而不会发生碰撞。两个星系中心的超大质量黑洞也开始合并。
然而，当黑洞之间的距离为1秒差距(即30.9万亿公里)时，合并就会停止。这个问题被称为天文学和天体物理学中的“最后的秒差距问题”。
这项研究发表在《物理评论快报》(PRL)上，试图解决这个问题，并解释脉冲星计时阵列合作组织在2021年观测到的引力波光谱。
Phys.org采访了这项研究的第一作者、多伦多大学博士后GonzaloAlonsoAlvarez博士。
在谈到团队工作背后的动机时，他说：“当脉冲星计时阵列合作项目宣布引力波谱的证据时，最让我们震惊的是，有空间来测试新的粒子物理场景，特别是暗物质自相互作用，即使在超大质量黑洞合并的标准天体物理解释中也是如此。”
为什么停在1秒差距?
当两个合并星系的超大黑洞相隔1秒差距时，就会发生两种抵消作用。
首先，像超大质量黑洞这样的大型物体会在时空中产生涟漪，从而形成在时空中传播的引力波。这些引力波会将能量从源头带走。当两个超大质量黑洞合并时，引力波会将能量从合并处带走，导致黑洞以更快的速度向内螺旋。
第二种是称为动摩擦的摩擦力。当像黑洞这样的大物体穿过介质(如尘埃和恒星)时，它们会留下一条扰动流体的尾迹，称为尾迹。例如，当船在水中行驶时，它会在身后留下一条湍急的水迹;这就是它的尾迹。
通过重力吸引到超大质量黑洞的粒子会产生阻力，即动态摩擦力。这种摩擦力会阻碍大质量物体的运动，迫使其减速。在两个超大质量黑洞合并的情况下，这会导致它们停止相互靠近。
阿尔瓦雷斯博士解释说：“之前的计算发现，当黑洞彼此相距约1秒差距时，这个过程就会停止，这种情况有时被称为最后的秒差距问题。”
这就是动态摩擦发挥作用的地方。它既可以阻碍两个超大质量黑洞的合并，也可以帮助它们合并。
自相互作用的暗物质
研究人员提出，某种形式的暗物质或许可以解决这一问题。
“在本文中，我们表明，包括之前被忽视的暗物质效应在内的影响可以帮助黑洞克服最后的分离和合并秒差距，从而发射出与脉冲星计时阵列观测到的信号相匹配的引力波信号，”阿尔瓦雷斯博士说。
在星系中，暗物质主要存在于星系晕中，即可见星系周围的区域。但它也存在于星系核心附近，那里有超大质量黑洞。因此，暗物质的性质可能在超大质量黑洞的合并中发挥关键作用。
自作用暗物质(SIDM)是暗物质的一种假设形式，其中暗物质粒子通过一种新的未知力相互作用。
在包含SIDM的星系中，暗物质粒子之间的相互作用会影响暗物质的密度(分布)和速度，从而导致物质和能量更有效地向SMBH汇集，这可能会克服动态摩擦。
微妙的平衡
为了探索SIDM在SMBH合并中的作用，研究人员对SIDM和冷暗物质(相互作用较少)在SMBH周围的暗物质密度分布进行了详细计算。
他们还模拟了超大黑洞轨道上的动态摩擦效应，计算了超大黑洞和暗物质之间的能量转移，并对不同暗物质场景下的引力波光谱进行了模拟。
然后，他们将这些结果与脉冲星计时阵列的观测数据进行了比较。
研究人员发现，暗物质粒子的相互作用截面必须在一个最佳范围内。更大的截面面积意味着更频繁的相互作用，导致暗物质粒子相互作用和散射，使超大质量黑洞附近的密度分布变得平坦。
密度的降低会降低超大黑洞合并所需的动摩擦力。
“另一方面，需要足够频繁的暗物质自相互作用来防止该轮廓因黑洞运动而分散，”阿尔瓦雷斯博士解释道。
理想的横截面范围允许足够的相互作用来影响超大质量黑洞的运动，而不会过多地分散暗物质，从而保持足够的动态摩擦以协助合并过程。
研究人员发现，这个数值介于2.5到25平方厘米/克之间。这意味着，对于每克暗物质，粒子相互作用的有效面积应该在2.5到25平方厘米之间。
速度相关的相互作用
研究人员还发现，SIDM粒子的速度必须是最佳的。该速度反过来又受到未知力载体或介质质量的影响，从而促进SIDM粒子之间的相互作用。
如果介质很重，这可能意味着暗物质粒子只有在相对运动速度较慢时才会发生显著相互作用。相反，如果介质很轻，相互作用可能会在更高的速度下发生。
“有趣的是，这种速度依赖性在理论上是有充分理由的。如果作为暗物质自相互作用的力载体的粒子的质量约为暗物质粒子质量的1%，就会发现这一点，”阿尔瓦雷斯博士说。
研究人员估计这个值在300到600公里/秒之间。
阿尔瓦雷斯博士补充道：“这些与速度相关的自相互作用在引力波谱上留下了印记，因为当黑洞彼此相距不到一秒差距时，很大一部分轨道能量会因暗物质摩擦而不是引力波发射而损失，因此与其他频率相比，某些频率的引力波信号会相对受到抑制。”
启示和未来工作
研究人员的SIDM粒子模型预测，引力波在低频时会更弱或强度更低。这一预测与实际数据中观察到的情况相符。
他们还表明，具有速度相关截面的SIDM可以解决最终的秒差距问题并在合并过程中存活下来。
谈到他们工作的影响，阿尔瓦雷斯博士说：“我们发现黑洞轨道的演变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双星的引力波发射来约束暗物质模型。这为探索以前无法观测到的星系最内层区域的暗物质性质提供了一个新的窗口。”
该团队还在完善他们的模型并开发数值模拟以确认本文的结果。这些模拟将更好地理解暗物质分布如何对黑洞合并注入的能量作出反应。