暗物质似乎可以解释最早的超大质量黑洞

暗物质衰变可能揭示宇宙早期超大质量黑洞的起源

一项新研究指出，暗物质衰变释放的能量或成为解释宇宙诞生后十亿年内出现的亿级质量黑洞的关键。该研究由加州大学河滨分校（UCR）研究生雅什·阿加瓦尔（Yash Aggarwal）主导，已发表在《宇宙学与天体物理学期刊》（Journal of Cosmology and Astroparticle Physics）上。

研究核心发现

标准黑洞形成理论认为，宇宙诞生后不到十亿年，黑洞不可能长得这么大。然而，阿加瓦尔团队发现，暗物质衰变释放的能量足以改变早期星系的化学状态，使部分星系直接坍缩成黑洞，而非先形成恒星。

“我们的研究表明，暗物质衰变可能彻底改变第一批恒星和星系的演化路径，并在宇宙范围内产生广泛影响。” — 阿加瓦尔

这项研究的时机恰恰与 NASA 的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）持续观测到的异常大黑洞相呼应。此前，天文学家认为直接坍缩需要“靠近的恒星照射到预星气体”这种罕见巧合，因而认为该过程极其稀少。

图：示意图

暗物质的新视角

阿加瓦尔团队突破传统框架，考虑了宇宙中未知85%物质——暗物质的作用。研究表明，如果暗物质粒子衰变，它们会将极少量能量注入气体，显著提升直接坍缩的概率。每个衰变的暗物质粒子所需注入的能量仅相当于单个AA电池能量的十亿万亿分之一。

“暗物质衰变能够为直接坍缩提供所需的‘能量补给’，从而弥合理论与观测之间的鸿沟。” — 阿加瓦尔

UCR 的物理与天文学副教授、阿加瓦尔博士生导师 Flip Tanedo 在与阿加瓦尔共同署名的论文中表示，自2018年以来，他的团队一直在探讨与此相关的想法。

“第一批星系基本上是原始氢气球，其化学反应极为敏感，对原子尺度的能量注入极其敏感。” — Tanedo

Tanedo 认为，这些特性恰恰是暗物质探测器所需的“指纹”，而我们今天观测到的超大质量黑洞正是这些暗物质“探测器”的“痕迹”。

模拟与结果

研究团队还邀请了德克萨斯州萨姆·休斯顿州立大学的詹姆斯·登特（James Dent）和俄克拉荷马大学的陶旭（Tao Xu），对在暗物质（如轴子）衰变存在下的气体热化学动力学进行建模。结果显示，在暗物质质量为24–27电子伏特之间的窗口期内，能够产生种子直接坍缩黑洞的条件。

Tanedo 指出，这项工作源于一系列巧合——恰好把合适的人在合适的时间聚集在一起，包括一系列工作坊，将粒子物理学家、宇宙学家和天体物理学家聚集在一起，共同讨论各自领域的重大问题。

“我们证明，合适的暗物质环境可以大幅提升黑洞直接坍缩的‘巧合’概率。” — Tanedo

勇编撰自论文"Yash Aggarwal et al, Direct collapse black hole candidates from decaying dark matter".Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.2026相关信息，文中配图若未特别标注出处，均来源于自绘或公开图库。