黑洞當(dāng)放大鏡，MIT等新模型從引力波中找出「可疑印記」

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浩瀚宇宙，我們能觀測(cè)到的物質(zhì)僅占約 5%，其余的 95% 完全隱匿于我們的視線之外，被稱為暗物質(zhì)與暗能量。

暗物質(zhì)可以穿過光、磁場(chǎng)以及電磁波譜上的任何其他能量形式而不留痕跡。目前，科學(xué)家探測(cè)暗物質(zhì)的主流途徑是通過引力波。如果兩個(gè)碰撞的黑洞在密集的暗物質(zhì)區(qū)域中螺旋運(yùn)動(dòng)并合并，那么在時(shí)空中蕩漾的引力波就可能攜帶暗物質(zhì)的印記。

現(xiàn)在，物理學(xué)家或許能夠在地球上探測(cè)到的引力波中發(fā)現(xiàn)這種暗物質(zhì)的印記。

來自麻省理工學(xué)院（MIT）和歐洲的研究人員開發(fā)出一種方法，可以預(yù)測(cè)：如果引力波是由穿越暗物質(zhì)（而非真空）的黑洞產(chǎn)生的，那么它應(yīng)該呈現(xiàn)出怎樣的形態(tài)。研究論文發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。

論文地址：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/fv9z-zkxx

暗物質(zhì)的引力

根據(jù)愛因斯坦的廣義相對(duì)論，時(shí)空在大質(zhì)量天體附近會(huì)發(fā)生畸變，使得光線經(jīng)過大質(zhì)量天體附近時(shí)發(fā)生彎曲。如果在觀測(cè)者到光源的直線上有一個(gè)大質(zhì)量天體，則觀測(cè)者會(huì)看到由于光線彎曲而形成的一個(gè)或多個(gè)像，這種現(xiàn)象稱為引力透鏡現(xiàn)象。

天文學(xué)家推測(cè)，除了星系自身的引力之外，可能還存在額外的引力來解釋這種「透鏡效應(yīng)」。物理學(xué)家猜測(cè)，這種額外的力就是暗物質(zhì)的引力。

一類被提出的暗物質(zhì)由「輕標(biāo)量」粒子組成，其質(zhì)量比電子輕多個(gè)數(shù)量級(jí)。理論預(yù)言，這種暗物質(zhì)在黑洞附近運(yùn)動(dòng)時(shí)，不僅會(huì)表現(xiàn)為粒子，還會(huì)表現(xiàn)為協(xié)調(diào)的波。

物理學(xué)家還預(yù)言，當(dāng)暗物質(zhì)波與快速旋轉(zhuǎn)的黑洞接觸時(shí)，黑洞的旋轉(zhuǎn)能量會(huì)轉(zhuǎn)移到暗物質(zhì)上，從而放大暗物質(zhì)，類似于放大鏡的作用。

這種現(xiàn)象稱為超輻射，它會(huì)使暗物質(zhì)波的密度變得極高，類似于將奶油攪拌成黃油。而在密度足夠高的情況下，原本無論如何都不可見的輕標(biāo)量暗物質(zhì)，會(huì)在黑洞碰撞發(fā)出的引力波上留下印記。

但這個(gè)印記究竟是什么樣的？這種印記能否在數(shù)百萬光年外、抵達(dá)地球的引力波中探測(cè)到？

MIT 等機(jī)構(gòu)的這項(xiàng)研究回答了上述問題。

印記的預(yù)測(cè)

研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)模型，用以預(yù)測(cè)兩種情況下兩個(gè)黑洞產(chǎn)生的引力波形（即引力波模式）：一是在暗物質(zhì)環(huán)境中碰撞，二是在真空（沒有暗物質(zhì)）中碰撞。

具體來說，他們進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值模擬，以預(yù)測(cè)在兩個(gè)碰撞黑洞（稱為「雙黑洞系統(tǒng)」）的各種屬性下會(huì)產(chǎn)生怎樣的引力波，考慮了各種場(chǎng)景，例如改變每個(gè)黑洞的大小和質(zhì)量、黑洞可能穿越的暗物質(zhì)環(huán)境，以及黑洞旋轉(zhuǎn)會(huì)提升的暗物質(zhì)密度。

模型需要預(yù)測(cè)兩個(gè)層面：

• 如果雙黑洞產(chǎn)生的引力波攜帶著暗物質(zhì)印記，它應(yīng)該是什么樣；
• 如果該引力波在時(shí)空中傳播特定距離后最終抵達(dá)地球上的探測(cè)器，它又應(yīng)該是什么樣。

研究團(tuán)隊(duì)將模型應(yīng)用于 LIGO-Virgo-KAGRA（LVK）全球觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)先前記錄的公開引力波數(shù)據(jù)，該網(wǎng)絡(luò)用于探測(cè)黑洞合并及其他遙遠(yuǎn)天體物理源產(chǎn)生的引力波。

他們查閱了 LVK 在三次觀測(cè)運(yùn)行中記錄到的引力波信號(hào)，并聚焦于 28 個(gè)最清晰的信號(hào)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：其中 27 個(gè)來自在真空中合并的黑洞，但有一個(gè)信號(hào)，GW190728，其波形顯示出可能是暗物質(zhì)印記的跡象。

GW190728 是根據(jù)探測(cè)日期 ——2019 年 7 月 28 日命名的引力波。科學(xué)家先前確定，該引力波來自一個(gè)總質(zhì)量約為太陽質(zhì)量 20 倍的雙黑洞系統(tǒng)。

需要注意的是，研究團(tuán)隊(duì)強(qiáng)調(diào)：他們并未探測(cè)到暗物質(zhì)，還需要獨(dú)立團(tuán)隊(duì)進(jìn)行進(jìn)一步檢驗(yàn)。但如果沒有該研究提出的波形模型，研究人員可能會(huì)探測(cè)到暗物質(zhì)環(huán)境中的黑洞合并，卻系統(tǒng)性地將它們歸類為在真空中發(fā)生。

這項(xiàng)研究的價(jià)值在于利用黑洞尋找暗物質(zhì)，讓科學(xué)家能夠以前所未有的更小尺度探測(cè)暗物質(zhì)。如研究團(tuán)隊(duì)成員 Soumen Roy 所說：「利用引力波尋找新物理學(xué)的時(shí)代令人興奮。」

參考鏈接：https://news.mit.edu/2026/new-way-spot-signs-dark-matter-0512