詹姆士·韋伯望遠鏡偵測到「不可能」黑洞，或有全新解釋

詹姆士·韋伯太空望遠鏡的觀測結果顯示，早期宇宙中存在一些巨大黑洞，它們似乎在極短時間內就長得過於龐大。最新研究指出，一種奇特的暗物質形式可能是背後的「元兇」。

近期一項研究為宇宙學中最令人困惑的謎團之一提供了潛在解答：早期宇宙中的超大質量黑洞是如何在如此短的時間內變得如此巨大的。研究人員透過引入一種全新的物理模型，解釋了超大質量黑洞的種子是如何透過被稱為暗物質的神秘實體坍縮形成的。

暗物質是宇宙中一種神秘的成分，它幾乎不可見，僅透過引力與其他物質相互作用，為星系的形成提供了結構框架。儘管它扮演著關鍵角色，但其本質仍是天體物理學中最大的謎團之一。標準宇宙學模型假設暗物質僅透過引力相互作用，但這個框架難以解釋為何在大爆炸後僅8億年就出現了超大質量黑洞。

像詹姆士·韋伯太空望遠鏡（JWST）之類的望遠鏡觀測發現，在宇宙早期就存在類星體——由超大質量黑洞提供能量的極其明亮的天體，它們的質量超過太陽的10億倍。依靠氣體吸積以及與其他黑洞和星系合併的傳統模型，無法解釋這些黑洞如何能在如此短的時間內增長到如此巨大的質量。

為瞭解決這些挑戰，研究團隊提出了一種名為超自相互作用暗物質的暗物質子成分。與標準暗物質不同，這種成分（在早期宇宙中所佔暗物質總量不到10%）會表現出強烈的自相互作用。這種特性會使超自相互作用暗物質粒子在星系暈的中心聚集。

該研究的共同作者、加州大學聖克魯茲分校的博士生格蘭特·羅伯茨在一封電子郵件中告訴《生活科學》：「暗物質的自相互作用是必要的組成部分，因為暗物質粒子需要一種方式相互散射，這種散射要比僅靠引力相互作用強得多。這種散射使暗物質在星系的最內部區域聚集，從而使其能夠坍縮成超大質量黑洞的種子。」

這些強烈的自相互作用會使超自相互作用暗物質粒子向星系中心移動，在那裡它們會形成緻密的核心，最終坍縮成黑洞。如果這個過程發生在星系演化的早期，就可能為超大質量黑洞播下種子，使其能夠透過傳統的氣體吸積過程增長。重要的是，該模型繞過了傳統超大質量黑洞形成機制的緩慢時間尺度，允許其快速增長，同時與其他天體物理學觀測結果保持一致。

羅伯茨補充道：「我們的關鍵發現是，我們能夠在當前的觀測範圍內形成超大質量黑洞的種子，並使其增長到觀測到的質量。」

為了驗證他們的模型，研究人員分析了三個類星體的樣本，這些類星體的質量和年齡都有精確的測量。這些由JWST和其他望遠鏡觀測到的天體，是校準超自相互作用暗物質模型的關鍵基準。

研究團隊發現，即使在對暗物質自相互作用強度的速度依賴性做出不同假設的情況下，他們的模型也能成功再現觀測到的類星體引數。羅伯茨解釋說：「我們的模型更具優勢之處在於，我們可以根據觀測到的超大質量黑洞的年齡和質量，直接校準自相互作用的強度以及這部分暗物質所佔的比例。」

超自相互作用暗物質模型最令人興奮的方面之一是它具有可驗證的預測。該假說表明，在矮星系（比我們的星系更小、質量更輕的星系）中存在中等質量黑洞。觀測這些黑洞及其分佈情況，可以為該模型提供直接證據。

羅伯茨說：「如果望遠鏡對這些矮星系進行觀測並測量這些黑洞的質量，我們就可以直接將其與我們的模型預測進行比較。」該模型還預測了這些黑洞的數量和大小，這些可以與未來的觀測資料進行交叉驗證。

這項於1月14日發表在《宇宙學與天體粒子物理學雜誌》上的研究強調，詹姆士·韋伯太空望遠鏡有望帶來更多新發現，它不斷在更遙遠的地方發現新的超大質量黑洞。這些發現可能會對超大質量黑洞的形成時間尺度施加更嚴格的限制，並完善超自相互作用暗物質模型的引數。

羅伯茨指出：「隨著詹姆士·韋伯太空望遠鏡發現更多更古老的超大質量黑洞，我們將能夠對我們的模型引數施加更多限制。隨著它發現更多這樣的黑洞，我們希望瞭解我們的新模型如何影響我們對宇宙中中等質量黑洞質量和豐度的預測。」