由加州大学河滨分校的一位理论物理学家领导的团队提出了一个解释：暗物质晕的坍塌可能会产生一个巨大的种子黑洞。

暗物质晕是围绕星系或星系团的不可见物质晕。尽管实验室从未发现过暗物质，但物理学家仍然相信这种占宇宙物质 85% 的神秘物质存在。如果星系的可见物质没有嵌入暗物质晕中，这种物质就会飞散。

加州大学河滨分校物理学和天文学副教授于海波说：“物理学家很困惑，为什么早期宇宙中位于暗物质晕中心区域的 SMBH 会在短时间内如此大规模地增长。”领导了出现在天体物理学杂志快报上的研究。“这就像一个重达 200 磅的 5 岁孩子。这样的孩子会让我们所有人感到惊讶，因为我们知道新生儿的典型体重以及这个婴儿的生长速度。谈到黑洞，物理学家对种子黑洞的质量及其增长率有着普遍的期望。SMBH的存在表明这些普遍的期望已经被打破，需要新的知识。这很令人兴奋。”

种子黑洞是初始阶段的黑洞——类似于人类生命中的婴儿阶段。

“我们可以想到两个原因，”于补充说。“种子——或‘婴儿’——黑洞要么比我们想象的要大得多，要么比我们想象的增长得快得多，或者两者兼而有之。随之而来的问题是产生足够大的种子黑洞的物理机制是什么，或者达到足够快的增长率?”

“黑洞通过吸积周围物质而变得巨大需要时间，”合著者、芝加哥大学卡夫利宇宙物理研究所的博士后研究员 Yi-Ming Zhong 说。“我们的论文表明，如果暗物质具有自相互作用，那么光晕的引力坍缩会导致一个足够大的种子黑洞。它的增长率将更符合一般预期。”

在天体物理学中，用于解释 SMBH 的一种流行机制是早期宇宙中原星系中原始气体的坍缩。

“然而，这种机制不能产生足够大的种子黑洞来容纳新观察到的 SMBH——除非种子黑洞经历了极快的增长，”于说。“我们的工作提供了另一种解释：一个自相互作用的暗物质晕经历了重力热不稳定性，其中心区域坍塌成一个种子黑洞。”

Yu 和他的同事提出的解释是通过以下方式进行的：

暗物质粒子首先在引力作用下聚集在一起，形成暗物质晕。在光环的演化过程中，有两种相互竞争的力量——重力和压力——在起作用。当重力向内拉暗物质粒子时，压力将它们向外推。如果暗物质粒子没有自相互作用，那么，当重力将它们拉向中心晕时，它们会变得更热，也就是说，它们移动得更快，压力有效增加，然后它们会反弹回来。然而，在自相互作用暗物质的情况下，暗物质自相互作用可以将热量从那些“较热”的粒子传输到附近较冷的粒子。这使得暗物质粒子很难反弹。

于解释说，会坍缩成黑洞的中央光晕具有角动量，这意味着它会旋转。自相互作用会引起粘性或“摩擦”，从而耗散角动量。在坍缩过程中，具有固定质量的中心晕由于粘性而半径缩小并减慢旋转速度。随着进化的继续，中央晕最终坍缩成一个单一的状态：一个种子黑洞。这种种子可以通过吸积周围的重子(或可见的)物质(如气体和恒星)而变得更大。

“我们设想的优势在于种子黑洞的质量可能很高，因为它是由暗物质晕坍塌产生的，”于说。“因此，它可以在相对较短的时间内成长为一个超大质量黑洞。”

这项新工作的新颖之处在于，研究人员确定了重子——普通原子和分子粒子——对这一想法的重要性。

“首先，我们证明重子的存在，如气体和恒星，可以显着加速光晕引力坍缩的开始，并且可以足够早地产生种子黑洞，”于的研究生冯伟祥说。和论文的合著者。“第二，我们展示了自相互作用可以引起粘性，从而消散中央晕的角动量残余。第三，我们开发了一种方法来检查触发坍缩晕的一般相对论不稳定性的条件，这确保了种子黑洞可以满足条件的情况下形成。”

在过去的十年中，Yu 探索了对暗物质自相互作用及其观察结果的新颖预测。他的工作表明，自相互作用暗物质可以为观测到的星系中恒星和气体的运动提供一个很好的解释。