解决黑洞双星的最后一个秒差距问题的新机制

我们知道，宇宙中存在着许多巨大的黑洞，它们的质量可以达到数百万甚至数十亿倍的太阳质量。这些黑洞通常位于星系的中心，被称为超大质量黑洞。当两个星系发生碰撞和合并时，它们的中心黑洞也会相互靠近，形成一个黑洞双星。这样的双星系统会不断地发出引力波，从而损失能量和角动量，最终导致两个黑洞的合并。这个过程对于理解星系的形成和演化，以及探测引力波的来源，都有重要的意义。

然而，数值模拟表明，使用冷暗物质模型的星系，黑洞双星通常会在几个秒差距的距离上停滞，而不会进一步缩小。这是因为在这个尺度上，黑洞双星周围的恒星和暗物质的密度不足以提供足够的散射，从而帮助黑洞双星进一步缩小轨道。

这个问题被称为最后一个秒差距问题。如果没有其他的机制来促进黑洞双星的合并，那么它们可能需要数十亿年甚至更长的时间才能完成合并，这与观测到的引力波事件的频率不符。

那么，有什么因素可以加速黑洞双星的合并呢？有一些可能的机制，比如说，黑洞双星的轨道可能会因为与第三个黑洞的相互作用而变得更加偏心，从而增加引力波辐射的效率。或者，黑洞双星的周围可能会有一些气体，它们会因为粘滞效应而与黑洞双星交换能量和角动量，从而使黑洞双星的轨道收缩。但是，这些机制的有效性和普遍性还有待进一步的研究和验证。

在最近发表的一篇论文中，作者提出了一个新的可能的机制，黑洞双星的周围可能会有一些超轻暗物质，它们会因为引力冷却而产生暗物质波，这些波会有效地从黑洞双星那里带走轨道能量，从而迅速地使它们靠近。

什么是超轻暗物质呢？它们是一种假设的暗物质的候选者，它们的质量非常小，约为10^-22 eV/c²，这意味着它们的德布罗意波长非常大。因此它们的行为更像是波而不是粒子，可以用薛定谔方程来描述。当它们形成一个暗物质晕时，它们会有一个特征的密度波动，称为索尔冬结构。当它们与一个黑洞双星相互作用时，它们会因为黑洞的引力而产生一种类似于声波的波动，称为暗物质波。

为了检验这个假设，他们进行了一些数值模拟，模拟了黑洞双星在超轻暗物质晕中的演化。他们用施瓦西度规来描述黑洞的引力场，忽略了黑洞的自旋和相对论效应，并且用薛定谔-泊松方程来描述ULDM的波函数和引力势。他们的结果表明，超轻暗物质波可以导致黑洞双星的快速轨道衰减。