暗物质可能有助于在早期宇宙中形成超大质量黑洞
偏振光下银河系超大质量黑洞人马座A*的视图。图片：欧洲南方天文台/维基共享资源
（蜘蛛网eeook.com）据加州大学洛杉矶分校（霍莉·奥伯）：
关键要点
1.超大质量黑洞通常需要数十亿年才能形成。但詹姆斯·韦伯太空望远镜在大爆炸后不久——在它们应该有时间形成之前——就发现了它们。
2.加州大学洛杉矶分校的天体物理学家发现，如果暗物质衰变，它发射的光子会使氢气保持足够的温度，使重力将其聚集成巨大的云，并最终将其凝结成超大质量黑洞。
3.除了解释早期超大质量黑洞的存在外，这一发现还支持了一种能够衰变成光子等粒子的暗物质的存在。
像我们银河系中心的超大质量黑洞需要很长时间才能形成。通常，黑洞的诞生需要一颗质量至少相当于我们太阳50倍的巨星燃尽——这一过程可能需要十亿年——并且其核心会自行坍缩。
即便如此，产生的黑洞只有大约10个太阳质量，与我们银河系中发现的400万太阳质量的黑洞人马座a*或其他星系中发现的10亿太阳质量的超大质量黑洞相去甚远。这种巨大的黑洞可以通过气体和恒星的吸积，以及与其他黑洞的合并，从较小的黑洞形成，这需要数十亿年的时间。
那么，为什么詹姆斯·韦伯太空望远镜在时间本身的开始附近发现了超大质量黑洞，在它们应该能够形成之前的亿万年？加州大学洛杉矶分校的天体物理学家有一个和黑洞本身一样神秘的答案：暗物质阻止氢冷却足够长的时间，使重力将其凝结成足够大、足够稠密的云，从而变成黑洞而不是恒星。这一发现发表在《物理评论快报》杂志上。
加州大学洛杉矶分校物理学和天文学教授、资深作者亚历山大·库森科说：“当宇宙本身只有5亿年的历史时，发现一个具有十亿太阳质量的超大质量黑洞是多么令人惊讶。”。“这就像在恐龙骨骼中找到一辆现代汽车，想知道史前时代是谁造的那辆车。”
一些天体物理学家提出，一团巨大的气体云可以直接坍缩形成超大质量黑洞，绕过恒星燃烧、吸积和合并的悠久历史。但有一个问题：引力确实会将一大片气体聚集在一起，但不会形成一大片气体。相反，它将部分气体聚集成彼此靠近的小晕，但不会形成黑洞。
原因是气体云冷却得太快。只要气体是热的，它的压力就可以对抗重力。然而，如果气体冷却，压力降低，重力可以在许多小区域中占上风，在重力有机会将整个云层拉入一个黑洞之前，这些小区域会坍缩成致密的物体。
詹姆斯·韦伯望远镜拍摄的图像显示了J0148类星体以红色圈出。两个插图显示，顶部是中心黑洞，底部是宿主星系的恒星辐射。图像：麻省理工学院/美国国家航空航天局
第一作者、博士生陆一凡说：“气体冷却的速度与氢分子的数量有很大关系。分子中结合在一起的氢原子在遇到松散的氢原子时会耗散能量。氢分子在吸收热能并将其辐射出去时会成为冷却剂。早期宇宙中的氢云有太多的氢分子，气体冷却得很快，形成了小的晕而不是大的云。”
Lu和博士后研究员Zachary Picker编写了代码来计算这种情况下的所有可能过程，并发现额外的辐射可以加热气体并分解氢分子，从而改变气体的冷却方式。
陆说：“如果你在一定的能量范围内添加辐射，它会破坏分子氢，并创造条件防止大型云层碎裂。”。
但是辐射是从哪里来的呢？
宇宙中只有一小部分物质构成了我们的身体、我们的星球、恒星和我们可以观察到的其他一切。绝大多数物质，通过其对恒星物体的引力效应和来自遥远来源的光线的弯曲来检测，是由一些科学家尚未发现的新粒子组成的。
因此，暗物质的形式和性质仍然是一个有待解决的谜。虽然我们不知道暗物质是什么，但粒子理论家长期以来一直推测，它可能包含不稳定的粒子，这些粒子可以衰变为光子，即光的粒子。在模拟中包括这种暗物质提供了气体在坍缩成黑洞时留在大云中所需的辐射。
暗物质可以由缓慢衰变的粒子组成，也可以由多种粒子组成：一些是稳定的，一些是早期衰变的。在任何一种情况下，衰变的产物都可能是光子形式的辐射，它会分解分子氢，防止氢云过快冷却。即使是非常轻微的暗物质衰变也会产生足够的辐射来阻止冷却，形成大型云层，最终形成超大质量黑洞。
皮克说：“这可能是为什么超大质量黑洞很早就被发现的解决方案。”。“如果你乐观的话，你也可以把这看作是一种暗物质的积极证据。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必须来自未知的暗区物理学。”
