超大质量黑洞通常需要数十亿年的时间才能形成。然而，詹姆斯·韦布太空望远镜正在发现它们在大爆炸后不久就出现——远比预期的要早得多。
形成超大质量黑洞的过程漫长，例如位于我们银河系中心的黑洞。通常，黑洞的形成始于一颗大质量恒星的死亡——至少是我们太阳质量的50倍，这颗恒星经历十亿年的生命周期，直到其核心崩溃。
这种崩溃的结果是一个黑洞，其质量可能仅为太阳质量的10倍，与我们银河系中发现的约400万太阳质量的黑洞人马座A*，或其他星系中十亿太阳质量的超大质量黑洞相去甚远。这些巨大的黑洞通过气体和恒星的聚集以及与其他黑洞的合并，逐渐从较小的黑洞中形成，历经数十亿年。
詹姆斯·韦布太空望远镜的最新发现提出了一个令人困惑的问题：超大质量黑洞是如何在早期宇宙被发现的，远在它们应该有时间存在之前？加州大学洛杉矶分校的天体物理学家们提出了一个有趣的答案：暗物质可能在维持氢的温度方面发挥了关键作用，防止其过快冷却。这使得重力可以将其聚集成尺寸可观的云，最终转变为黑洞而非恒星。这项研究发表在《物理评论快报》期刊上。
“当宇宙只有五亿年的时候发现一个质量为十亿太阳质量的超大质量黑洞，这真是令人惊讶，”资深作者、加州大学洛杉矶分校物理与天文学教授亚历山大·库森科评论道。“这就像在恐龙化石中发现一辆现代车辆，思考这辆车如何能存在于史前时代。”
一些天体物理学家提出，一团巨大的气体云可能直接坍缩成超大质量黑洞，跳过恒星燃烧、聚集和合并的漫长过程。然而，面临一个挑战：虽然重力确实将气体云拉在一起，但它并不会形成一个巨大的单一云团。相反，它形成了小的气体晕，这些晕相互靠近，但未能演变成黑洞。
其原因在于气体云的快速冷却。如果气体保持高温，其压力可以抵消重力。但一旦气体冷却，压力下降，重力在各个区域占主导地位，从而导致稠密物体的形成，而不是整个云能够凝聚成一个黑洞。
“气体的冷却速率受到分子氢数量的显著影响，”主要作者、博士生卢逸帆表示。“当氢原子结合成分子时，它们在与游离氢原子相互作用时失去能量。这些氢分子充当冷却剂，吸收热能并将其辐射出去。在早期宇宙中，过多的分子氢导致快速冷却，从而形成小的气体晕，而非较大的云。”
卢和博士后研究员扎克里·皮克开发了算法以评估该情境中的所有潜在过程。他们发现，额外的辐射可以加热气体，并有助于击碎氢分子，改变冷却动力学。
“在特定能量范围内引入辐射会分解分子氢，创造出防止大型气体云碎裂的环境，”卢解释道。
那么，这种辐射的来源是什么？
宇宙物质的一小部分由构成我们身体、地球、恒星及其他可观察实体的熟悉元素组成。相反，大多数被认为是由一种不同形式的物质组成，科学家们仍在努力识别，主要通过其与天体的引力相互作用以及对来自远处光源光路径的影响来探测。
暗物质的特征仍然大多神秘。尽管存在这种不确定性，粒子理论家仍然提出暗物质可能由不稳定粒子组成，这些粒子衰变成光子，即光的基本粒子。在他们的模拟中加入这种类型的暗物质提供了所需的辐射，使气体能够维持一个大型云的结构，同时坍缩成黑洞。
暗物质可能由缓慢衰变的粒子或各种粒子类型组成，有些是稳定的，另一些则更早衰变。不管怎样，衰变产物可能以辐射的形式存在，例如光子，这些光子会破坏分子氢并抑制氢云的快速冷却。即使是极少量的暗物质衰变也可以产生足够的辐射来维持大型云，最终导致超大质量黑洞的形成。
“这可能澄清我们为何在早期宇宙中观察到超大质量黑洞，”皮克指出。“乐观地说，这一发现也可能为一种特定类型的暗物质提供有益的证据。如果这些超大质量黑洞是由气体云坍缩形成的，那么所需的额外辐射可能源于尚未知晓的暗物质物理方面。”
关键要点
- 超大质量黑洞通常需要数十亿年才能形成。然而，詹姆斯·韦布太空望远镜正在发现它们在大爆炸后不久就出现——远比预期的要早得多。
- 来自加州大学洛杉矶分校天体物理学家的研究发现，暗物质的衰变会释放光子，帮助保持氢气足够热，从而允许重力将其拉入足够大的云中，后者可以形成超大质量黑洞。
- 这一发现不仅澄清了超大质量黑洞的早期存在，还支持一种可以衰变成光子等粒子的暗物质理论。
