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暗星是一种假设存在的天体，可能形成于早期宇宙，部分由暗物质产生的热量提供能量，而非核聚变。

如果它们确实存在，其中一些可能在坍缩成大质量黑洞之前长得极为巨大，这或许有助于解释最初的超大质量黑洞为何能如此迅速地形成（艺术家概念图）。

图片来源：SciTechDaily

一项新研究表明，脉冲星计时阵列可能有助于揭示宇宙中首批超大质量黑洞是如何形成的。

通过监测脉冲星网络探测到的极其低频的引力波微弱背景，可能保留着超过130亿年前开始的事件的线索。

其中可能包括产生宇宙中一些最早的超大质量黑洞的过程。

SohanGhodla和科尔盖特大学的CosminIlie在《物理评论D》上以快报形式发表的一项研究中探讨了这种可能性。

他们的目标是确定起源于早期宇宙的超大质量黑洞是否最终能在脉冲星计时阵列（PTA）目前探测到的引力波背景中占据相当大的比例。

该分析将相隔数十亿年的两项观测联系了起来：宇宙早期观测到的质量超乎预期的黑洞，以及后来由一对超大质量黑洞产生的引力波。

一个可能的起源格外引人注目。

研究人员发现，假想中的超大质量暗星所留下的早期黑洞种子，有可能对如今观测到的脉冲星计时阵列（PTA）信号做出主要贡献。

脉冲星计时阵列通常被视为探测相对较近宇宙中超大质量黑洞双星的工具，伊利说，我们的研究表明，该信号或许还包含了有关这些黑洞的前身在宇宙黎明时期如何形成的信息。

从这个意义上说，如今观测到的引力波可能为研究首批超大质量黑洞的诞生提供一个新视角。

脉冲星或可探测古老黑洞的起源

脉冲星计时阵列利用脉冲星作为分布在天空中的精确时钟，脉冲星是快速旋转的中子星，其射电信号的到达具有极高的规律性。

在脉冲星和地球之间传播的引力波会使这些脉冲的到达时间产生微小变化。

通过多年对众多脉冲星的观测，全球各地的研究团队已经找到了纳赫兹频率随机引力波背景存在的证据。

主流的天体物理学解释是，存在大量逐渐走向合并的超大质量黑洞双星系统。

在脉冲星计时阵列的频率下，质量约为太阳十亿倍以上的系统尤为重要。

然而，它们巨大的规模引发了一个更深层次的问题：最初的黑洞种子是如何形成的？包括詹姆斯韦布空间望远镜和钱德拉X射线天文台在内的设施观测显示，在宇宙历史的早期就存在着令人惊讶的大质量黑洞，这让人们对能快速产生大种子的机制产生了更多兴趣。

早期超大质量黑洞种子后代所产生的纳赫兹引力波背景预测。

在黑洞由坍缩的超大质量暗星形成的模型中，其产生的引力波背景可以达到脉冲星计时阵列所测量到的水平，而该研究中所考虑的极为罕见的直接坍缩黑洞群产生的信号则要弱得多。

来源：戈德拉和伊利，《物理评论D》

因此，戈德拉和伊列研究了那些古老的种子黑洞是否能够存活下来，与它们所处的星系一同演化，最终与其他黑洞合并，并在数十亿年后产生被探测到的引力波背景。

他们研究了早期黑洞的两种可能形成途径：直接坍缩形成的黑洞和超大质量暗星坍缩时产生的黑洞。

暗星是假设的原初恒星，主要由暗物质相关的加热而非传统核聚变提供能量。

在该研究考察的弱相互作用大质量粒子（WIMP）暗物质情景下，这些天体可能保持相对低温且体积庞大，同时持续聚集物质，可能在坍缩成超大质量黑洞前增长到一百万倍太阳质量甚至更大。

暗星遗迹可能主导该信号

Ghodla和Ilie模拟了源自这些种子的黑洞在整个宇宙历史中的演化过程，包括它们周围的晕、预期的合并率，以及这些合并产生的引力波背景。

他们的计算表明，如果超大质量暗星的残余物数量密度约为10⁻³Mpc⁻³，那么它们的后代可能会贡献脉冲星计时阵列（PTA）信号的主要部分，甚至可能是主导部分。

分析中所包含的直接塌缩黑洞群体预计要罕见得多，其特征密度接近每立方百万秒差距\(10^{6}\)个。

因此，它对预测的引力波背景的贡献要小得多。

如今的海浪能够限制古老的种子

一个重要的启示是，现有的脉冲星计时阵列（PTA）观测结果已经能够对超大质量黑洞最早的种子天体的常见程度设定上限。

如果产生太多这类大质量种子天体，最终就会导致脉冲星计时阵列所探测到的信号过量。

如果产生的数量太少，那么就需要其他来源，以便能在宇宙演化后期高效地汇聚形成这些超大质量黑洞，从而与脉冲星计时阵列的观测结果相匹配，戈德拉说。

在测试的模型中，种子密度约为10⁻²至10⁻¹每立方兆秒差距时，产生的引力波背景将开始超过观测允许的范围。

具体的约束条件在很大程度上取决于这些种子起源的暗物质晕的质量。

通过这种方式，脉冲星计时阵列（PTA）的测量可能会对红移大于10的种群施加限制，尽管产生引力波的合并发生在更晚的时间。

计算结果还支持了之前的一项发现，即总黑洞质量约在10⁹倍太阳质量以上的双星主导了预测的PTA信号，而质量较小的系统贡献则显著更少。

这些发现建立了暗物质物理学、最早的发光天体、超大质量黑洞的起源以及引力波天文学之间的观测联系。

暗星最初被提出可能是在宇宙黎明时期可以直接观测到的天体，伊利说，这项研究指出了一种完全不同的方法来检验它们在宇宙历史中可能扮演的角色。

它们的后代可能会留下一种引力波印记，这种印记会一直持续到当今的宇宙。

随着PTA测量精度的提高，将其与对遥远黑洞及其宿主星系更严格的限制条件相结合，有助于研究人员区分关于宇宙中首批超大质量黑洞如何形成的不同解释。

参考文献10.1103hvfd8fkr

相关知识

暗星通常指那些难以直接观测到的星体，如黑洞、褐矮星等。

黑洞引力强大到连光都无法逃脱，因而难以被直接看见。

褐矮星质量介于恒星与行星之间，发光微弱，难以借助常规方法发现。

它们常隐藏于宇宙深处，等待人类进一步探索。

BY: Colgate University

FY: AI

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