黑洞，作为宇宙中最引人入胜的天体之一，长久以来一直吸引着科学家和天文爱好者的目光。它们不仅是宇宙中的“吞噬者”，拥有极高的质量，还能扭曲周围的时空。然而，超大质量黑洞（SMBH）的形成机制，特别是“最后秒差距问题”，一直是困扰天文学家的难题。这一问题阻碍了科学家们理解这些庞然大物是如何通过合并逐渐壮大的。如今，一项全新的理论可能为解开这一谜团提供关键线索，同时也有可能揭示暗物质的神秘面纱。
在大多数星系的中心，都潜伏着一个SMBH，比如M87星系中的黑洞，其质量约为太阳的65亿倍。天文学家普遍认为，SMBH起初可能只是较小的黑洞，通过不断合并和吸积周围物质才逐渐成长。但在模拟这些合并过程时，科学家们发现了一个无法回避的障碍：当两个黑洞的距离缩小到约一个秒差距（约3.26光年）时，它们会陷入一种永无止境的环绕状态，无法真正合并，这就是“最后秒差距问题”。
问题的核心在于，当两个黑洞逐渐靠近时，它们必须失去足够的能量才能进一步接近并最终合并。通常，黑洞通过与周围气体云和恒星团的相互作用来消耗能量。然而，当它们的距离缩小到最后的一个秒差距时，周围已经没有足够的物质来继续消耗它们的能量，导致黑洞进入一个几乎无休止的绕行状态。这意味着，按现有模型预测，黑洞最终合并所需的时间将延长至超过宇宙的当前年龄，这显然与实际观测结果不符。
为了破解这一难题，科学家们提出了几种可能的解决方案，其中之一是通过吸积盘来加速黑洞的下沉过程。吸积盘可以通过与黑洞的相互作用来传递能量，减少其轨道半径，从而使黑洞更快地合并。然而，之前的计算机模拟表明，吸积盘虽然能够将合并时间缩短到数十亿年，但仍不足以解释观测到的引力波背景或SMBH如何在宇宙年龄内迅速成长为如此庞大。
2023年，国际脉冲星计时阵列合作组的科学家们宣布了一个重要发现：他们检测到了一个由引力波组成的背景“嗡嗡声”。这些引力波是由极其巨大的天体合并时释放出来的空间-时间波动，天文学家认为这个背景可能是由遥远的巨大黑洞对产生的。这一发现再次引发了科学家们对“最后秒差距问题”的思考。
为了解决这一问题，研究者们提出了一种新的可能性：如果暗物质是“自相互作用”的，那么它可能帮助黑洞失去剩余能量，从而解决“最后秒差距问题”。在2023年7月发表在《物理评论快报》上的一篇论文中，研究人员提出了这一新的假设。暗物质被认为占据了宇宙中大部分的质量，但由于它不与电磁力相互作用，因此无法被直接观测到。一般情况下，科学家们假设暗物质是无碰撞的，这意味着它除了通过引力外，不与普通物质或自身发生任何相互作用。然而，由于对暗物质的了解甚少，天文学家有时会提出更为复杂的模型。
暗物质的“自相互作用”特性可能改变黑洞合并过程中的能量转移方式。在普通暗物质模型中，当黑洞靠近时，周围的暗物质无法有效吸收黑洞释放的能量，导致黑洞难以继续靠近并合并。然而，如果暗物质具有自相互作用特性，它们之间的碰撞可能帮助黑洞失去更多的能量，从而解决最后的秒差距问题。在这种情况下，暗物质会在黑洞周围形成一个高密度区域，称为“尖刺”。这个尖刺不仅能有效吸收能量，还能保持结构不被破坏，从而加速黑洞的合并过程。
研究团队的模拟显示，当考虑自相互作用的暗物质时，黑洞可以在不到十亿年的时间内合并——这一时间尺度足够短，以至于无数次合并可以产生检测到的引力波背景。相比之下，在普通暗物质模型中，这一过程可能需要超过宇宙当前的年龄才能完成。因此，SIDM模型不仅提供了一种可能的解决方案，还可以解释宇宙中探测到的引力波背景。
