早期宇宙中暗物质的辐射可能使氢气保持足够的高温，从而凝结成黑洞。

超大质量黑洞的形成

超大质量黑洞的形成需要很长时间，就像我们银河系中心的那个黑洞一样。通常，黑洞的诞生需要一颗巨大的恒星，其质量至少是太阳的50倍，然后燃烧殆尽——这个过程可能需要十亿年——它的核心向内坍缩。

即便如此，这颗黑洞的质量仅为约10个太阳质量，与我们在银河系中发现的、质量为400万个太阳质量的黑洞——人马座A*，或是其他星系中发现的、质量为数十亿个太阳质量的超大质量黑洞相去甚远。如此巨大的黑洞可以通过气体和恒星的积聚，以及与其他黑洞的合并（这需要数十亿年的时间）来由较小的黑洞形成。

詹姆斯·韦布空间望远镜揭示的奥秘

那么，为什么詹姆斯·韦伯太空望远镜能在时间本身开始之初，在它们应该能够形成之前的数十亿年，就发现超大质量黑洞呢？加州大学洛杉矶分校（UCLA）的天体物理学家给出了一个与黑洞本身一样神秘的答案：暗物质阻止了氢气的冷却，使重力有足够的时间将其凝聚成足够大和密集的云团，从而变成黑洞而不是恒星。这一发现于8月27日发表在《物理评论快报》上。

“当宇宙本身只有5亿年时，发现一个有10亿太阳质量的超大质量黑洞，这太令人惊讶了，”加州大学洛杉矶分校物理学和天文学教授亚历山大·库森科（Alexander Kusenko）说。“这就像在恐龙骨骼中发现了一辆现代汽车，并想知道这辆汽车在史前时代是谁建造的。”

空间气体冷却的挑战

一些天体物理学家提出，一团巨大的气体云可能会坍缩成超大质量黑洞，从而绕开恒星燃烧、吸积和合并的漫长历史。但这里有个问题：引力的确会将一团巨大的气体云聚在一起，但不会聚成一团巨大的云。相反，它会将气体的部分区域聚集成漂浮在彼此附近的小光晕，但不会形成黑洞。

原因是气体云冷却得太快了。只要气体是热的，它的压力就能对抗重力。然而，如果气体冷却，压力就会降低，重力可以在许多小区域内占主导地位，在这些小区域内，气体会在重力有机会将整个云拉入一个单一的黑洞之前坍缩成致密物体。

“气体的冷却速度很大程度上与分子氢的数量有关，”第一作者、博士生陆一凡（音译）说。“分子中的氢原子在遇到松散的氢原子时会消散能量。氢分子在吸收热能并将其辐射出去时成为冷却剂。早期宇宙中的氢云含有过多的分子氢，气体迅速冷却，形成了小光环而不是大云团。”

陆和博士后研究员扎卡里·皮克编写了代码，以计算该场景所有可能的过程，并发现额外的辐射会加热气体并分解氢分子，从而改变气体的冷却方式。

陆教授说：“如果你在某一能量范围内加入辐射，它会破坏分子氢，并创造条件来阻止大型云团的分解。”

但辐射从哪里来呢？

宇宙中只有极少部分物质构成了我们的身体、地球、恒星以及我们可以观察到的其他一切事物。通过恒星物体的引力效应和远处光源光线弯曲的检测，绝大多数物质由一些新的粒子组成，而这些粒子科学家们尚未识别出来。

因此，暗物质的形式和性质仍是一个有待解决的谜团。虽然我们不知道暗物质是什么，但粒子理论家们长期以来一直推测，它可能包含不稳定的粒子，这些粒子可以衰变成光子，即光的粒子。在模拟中包含这样的暗物质为气体在坍缩成黑洞的过程中保持在大型云中所需的辐射提供了依据。

暗物质可能由缓慢衰变的粒子组成，也可能由一种以上的粒子种类组成：一些是稳定的，一些是早期衰变的。在任何情况下，衰变的产物都可能是以光子形式存在的辐射，这些辐射会分解分子氢，并阻止氢云过快冷却。即使暗物质发生非常轻微的衰变，也会产生足够的辐射来阻止冷却，从而形成大片云团，并最终形成超大质量黑洞。

皮克说：“这可能是超大质量黑洞早期形成的原因。”“如果你乐观的话，你也可以把它解读为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的坍缩形成的，那么所需的额外辐射可能必须来自暗物质领域的未知物理学。”

参考文献：“来自残余粒子衰变的直接坍缩超大质量黑洞”，作者：陆一凡、扎克瑞·S·C·皮克尔和亚历山大·库森科，2024年8月27日，《物理评论快报》。DOI：10.1103/PhysRevLett.133.091001