重力波為我們提供了黑洞碰撞證據，也讓我們理解超大質量黑洞如何獲得巨大太陽質量，但仍存在一個棘手問題：兩個黑洞如何在彼此靠近約 3.3 光年（1 秒差距）時觸發合併過程？最近，新研究發現暗物質可能充當雙黑洞合併的媒人。
當兩個星系碰撞形成新星系，位於星系中心的超大質量黑洞最終也會聚集合併，形成質量更驚人的超大質量黑洞，並釋放引發時空結構波動的重力波。
儘管天文物理學家對超大質量黑洞合併後期階段已建立良好模型，但大家仍不完全理解兩個黑洞如何跨越最後 3.3 光年的距離觸發合併過程，這問題被稱為「最終秒差距問題（final parsec problem ）」。
根據模型，兩個超大質量黑洞相互環繞時，能量會轉移至周圍恆星和氣體，導致兩者軌道半徑越來越小，速度也產生變化。但隨著黑洞彼此逐漸靠近，可以影響軌道動量的物質數量也隨之減少，意即兩個互繞的黑洞最初或許能有效吸收周圍物質獲得能量，但隨著距離減小，周圍物質對黑洞運動的影響力也變得更小。
當兩個黑洞相距剩 1 秒差距（約 3.2 光年），軌道不再進一步衰變，此時黑洞軌道照理應維持穩定很長一段時間。多久？至少比宇宙年齡還要長。
那麼，究竟是何機制使兩個黑洞跨過最終距離限制，順利進入合併過程並引發可被人類偵測的重力波？
自相互作用暗物質粒子充當媒人
多倫多大學天文學家 Gonzalo Alonso-Álvarez 團隊設計了一個數學模型來解釋。研究人員發現，自相互作用暗物質（SIDM）會停在合併前的黑洞附近，透過一種新的未知力為黑洞提供媒介以傳遞最後軌道能量，促使兩個黑洞最終彼此擁抱融合，形成更巨大的超大質量黑洞。
雖然該結果尚處於理論範疇，但 SIDM 粒子模型預測低頻重力波會因自相互作用暗物質的存在而減弱，此跡象已有實際數據佐證。
新理論不僅可解決黑洞合併的最終秒差距問題，還可能揭開暗物質組成謎團，由於SIDM 暗物質與超大質量黑洞的相互作用也能解釋星系周圍暗物質暈形狀，若 SIDM 粒子模型更正確，便代表冷暗物質模型必須從宇宙學退場。
新論文發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）。
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（首圖來源：pixabay）
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