宇宙的黑暗面：黑洞如何变得超大质量

黑洞是宇宙中最引人注目的奥秘之一。没有什么，即使是光，也无法逃脱黑洞。在几乎每个星系的中心都有一个超大质量黑洞，它的质量是太阳的数百万到数十亿倍。了解黑洞，以及它们如何变得超大质量，可以揭示宇宙的演化。

美国能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室的三位物理学家最近开发了一个模型来解释超大质量黑洞的形成，以及另一种现象的性质：暗物质。在发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上的一篇论文中，理论物理学家Hooman Davoudiasl、Peter Denton和Julia Gehrlein描述了一种宇宙学相变，这种相变促进了宇宙黑暗部分超大质量黑洞的形成。

宇宙学相变类似于一种更熟悉的相变类型：将水煮沸。当水达到确切的正确温度时，它会喷出气泡和蒸汽。想象一下，这个过程发生在一种原始的物质状态下。然后，反向移动该过程，使其具有冷却效果并将其放大到宇宙的尺度。

“在星系存在之前，宇宙是炽热而密集的，这是已经确立的。宇宙如何冷却到我们今天观察到的情况是一个有趣的问题，因为我们没有实验数据来描述它是如何发生的，”彼得丹顿说。”我们可以预测已知粒子发生了什么，因为它们经常相互作用。但是，如果有未知的粒子在那里表现不同呢？

为了探索这个问题，布鲁克海文团队为宇宙的黑暗部分开发了一个模型，其中尚未发现的粒子比比皆是，很少相互作用。在这些粒子中，可能是超轻暗物质，预计比质子轻28个数量级。暗物质从未被直接观测到，但物理学家认为，根据其引力效应，暗物质构成了宇宙物质的大部分。

“已知粒子之间相互作用的频率表明，正如我们所知，物质不会非常有效地坍缩成黑洞，”丹顿说。”但是，如果有一个暗区有超轻暗物质，那么早期宇宙可能有一个非常有效的坍缩形式的合适条件。

最近的观测表明，超大质量黑洞是在早期宇宙中形成的，比物理学家以前认为的要早得多。这一发现几乎没有时间解释超大质量黑洞的增长。物理学家知道，黑洞主要通过两种方式获得质量。一种称为吸积的方法，是当物质（主要是尘埃）落入黑洞时。但是物质通过吸积在黑洞中积累的速度是有限的。第二种方法是通过银河系碰撞，在此期间两个黑洞可以合并;然而，在早期宇宙中，星系才刚刚开始形成。因此，物理学家一直想知道这些古老的宇宙学奇迹是如何如此迅速地变得如此巨大的。超轻暗物质粒子可能是缺失的部分。

“我们从理论上推测了暗区的粒子如何经历相变，使物质能够非常有效地坍缩成黑洞，”丹顿说。”当宇宙的温度恰到好处时，压力会突然下降到一个非常低的水平，让重力接管，物质坍缩。我们对已知粒子的理解表明，这个过程通常不会发生。

这样的相变将是一个戏剧性的事件，即使对于像宇宙这样壮观的东西也是如此。

“这些崩溃是一件大事。它们发射引力波，”丹顿说。”这些波具有特征形状，因此我们对该信号及其预期频率范围进行了预测。

目前的引力波实验不够灵敏，无法验证这一理论，但下一代实验可能能够探测到这些波的信号。根据波的特征形状，物理学家可以缩小超大质量黑洞形成的细节。在此之前，布鲁克海文理论家将继续评估新数据并完善他们的模型。

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