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黑洞是宇宙中最引人注目的谜团之一 。 没有任何东西 ， 即使是光 ， 也无法逃离黑洞 。 几乎每个星系的中心都有一个超大质量黑洞 ， 其质量是太阳的数百万到数十亿倍 。 了解黑洞 ， 以及它们如何变得质量超大 ， 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 ， 以及另一种现象的本质：暗物质 。 在《物理评论快报》上发表的一篇论文中 ， 理论物理学家 Hooman Davoudiasl、Peter Denton 和 Julia Gehrlein 描述了一种宇宙相变 ， 这种相变促进了宇宙黑暗区域中超大质量黑洞的形成 。
宇宙相变类似于一种我们熟悉的相变——将水煮沸 。 当水达到合适的温度时 ， 就会喷出气泡和蒸汽 。 想象这个过程发生在物质的原始状态下 ， 然后 ， 将这一过程反过来 ， 使其产生冷却效应 ， 并将其放大到宇宙的规模 。
Peter Denton认为：“在星系存在之前 ， 宇宙被公认为处于又热又稠密的状态 。 宇宙如何冷却到我们今天观察到的样子 ， 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 。 我们可以预测已知粒子会发生什么 ， 因为它们经常相互作用 。 但是如果那里有未知的粒子存在不同的表现呢？”
为了探索这个问题 ， 布鲁克海文研究小组开发了一个宇宙暗区模型 ， 其中 ， 存在着大量尚未被发现的 ， 而且这些粒子很少相互作用 。 在这些粒子中可能存在着超轻暗物质 ， 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 ， 基于其引力效应 ， 暗物质构成了宇宙中的大部分物质 。
Peter Denton指出：“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 。 但是 ， 如果存在一个含有超轻暗物质的暗区 ， 那么早期宇宙就可能已经具备了有效坍缩的合适条件 。 ”
最近的观测表明 ， 超大质量黑洞形成于宇宙早期 ， 比物理学家之前认为的要早得多 。 这一发现几乎没有留下时间来解释超大质量黑洞的增长 。 物理学家主要通过两种方式获取黑洞的质量 。 一种叫做吸积 ， 是物质(主要是尘埃)落入黑洞的过程 。 但是 ， 物质通过吸积在黑洞中积累的速度是有限度的 。 第二种方式是星系碰撞 ， 在此过程中 ， 两个黑洞可以合并 。
然而 ， 在早期宇宙 ， 星系才刚刚开始形成 。 所以 ， 物理学家们一直想知道 ， 这些古老的宇宙奇迹是如何以如此快的速度增长到如此巨大的 。 因此 ， 超轻暗物质粒子可能正是其缺失的部分 。
Denton说:“我们从理论上解释了暗区中的粒子如何经历相变 ， 从而使物质非常有效地坍缩成黑洞 。 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 ， 物质坍塌 。 根据我们对已知粒子的了解 ， 这种过程通常情况下是不会发生的 。 ”
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事物也是如此 。
Denton介绍:“这些坍塌是一件大事 。 它们会发出引力波 ， 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 。 ”
目前的引力波实验还不够敏感 ， 不足以验证这一理论 ， 但下一代的实验可能能够探测到这些引力波的信号 。 根据这些波的特征形状 ， 物理学家可以进一步研究超大质量黑洞形成的细节 。 在那之前 ， 布鲁克海文的理论学家将继续评估新的数据并完善他们的模型 。
参考文献
Hooman Davoudiasl et al Supermassive Black Holes Ultralight Dark Matter and Gravitational Waves from a First Order Phase Transition Physical Review Letters (2022).
【既然是宇宙“黑洞”，又怎会质量超大？科学家解析黑洞的神奇奥秘】（热爱科学 ， 跟随“知否” ， 每天带你探寻未知奥秘！）
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