黑洞碰撞的引力波能揭露暗物質(zhì)的本質(zhì)嗎？

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原作：Jennifer Chu

翻譯：劉明睿

校譯：姜力萌

編排：江哲宇

后臺：朱宸宇

原文鏈接：https://phys.org/news/2026-05-gravitational-colliding-black-holes-dark.html

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暗物質(zhì)是當(dāng)代天文學(xué)的一大謎團(tuán)，這種神秘存在占據(jù)了宇宙中物質(zhì)總量的大半，然而除了引力以外，它與常規(guī)物質(zhì)之間不存在任何形式的相互作用。長久以來，科學(xué)界為了解明暗物質(zhì)的真身絞盡腦汁。如今，物理學(xué)家們提出了一種探測暗物質(zhì)的新穎方法：如果有兩個黑洞在一片暗物質(zhì)富集的區(qū)域相撞，它們發(fā)射的引力波將有可能攜帶關(guān)于這些暗物質(zhì)的關(guān)鍵信息。

循著這一思路，在麻省理工學(xué)院子 （Massachusetts Institute of Technology）和歐洲的研究者們預(yù)測了穿過高密度暗物質(zhì)的黑洞發(fā)射的引力波的信號特征，并將結(jié)果與LVK項(xiàng)目(LIGO-Virgo-KAGRA，由激光干涉引力波天文臺LIGO，室女座干涉儀Virgo，與神岡引力波探測器KAGRA聯(lián)合組成的國際引力波探測項(xiàng)目)記錄到的已知引力波數(shù)據(jù)作了對比。

LVK項(xiàng)目的四座觀測設(shè)施。左至右，上至下：LIGO Hanford，位于美國華盛頓州里奇蘭；KAGRA，位于日本岐阜縣飛驒市；Virgo，位于意大利比薩；LIGO Livingston，位于美國印第安納州利文斯頓。圖源：歐洲引力天文臺（European Gravitational Observatory）

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研究團(tuán)隊(duì)查閱了LVK項(xiàng)目在2015年到2020年間記錄下的引力波數(shù)據(jù)，從中找出了28段最清晰的信號。其中的27段都來自兩個在暗物質(zhì)稀薄的真空中合并的黑洞。然而在剩下的GW190728號數(shù)據(jù)中，出現(xiàn)了類似科學(xué)家們預(yù)測的暗物質(zhì)信號模式。

這一發(fā)現(xiàn)尚且還不能說明我們成功探測到了暗物質(zhì)。更恰當(dāng)?shù)恼f法是，這種新方法能幫助科學(xué)家們從看似與暗物質(zhì)毫無瓜葛的引力波信號中篩選暗物質(zhì)的蛛絲馬跡，并使用其他專為探測暗物質(zhì)設(shè)計(jì)的技術(shù)進(jìn)行更深入的后續(xù)觀測。

“其實(shí)，哪怕就在我們的身邊也存在著極其稀薄的暗物質(zhì)。但它們需要足夠稠密，才能讓我們察覺這些物質(zhì)的存在?！?麻省理工學(xué)院物理系的博士后研究員約蘇·奧雷科埃切亞（Josu Aurrekoetxea）說，“黑洞恰恰提供了這種高暗物質(zhì)密度的環(huán)境，所以通過合并黑洞的引力波信號，我們能得以一窺暗物質(zhì)的秘密?！?/p>

奧雷科埃切亞和同僚們已將這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在物理學(xué)頂級期刊《物理評論快報(bào)》（Physical Review Letters）上。參與此項(xiàng)研究的成員還包括比利時魯汶天主教大學(xué)（Université Catholique de Louvain）的蘇門·羅伊（Soumen Roy），阿姆斯特丹大學(xué)（University of Amsterdam）的羅德里戈·維森特（Rodrigo Vicente），倫敦瑪麗女王大學(xué)（Queen Mary University of London）的凱蒂·克拉夫（Katy Clough），以及牛津大學(xué)（Oxford University）的佩德羅·費(fèi)雷拉（Pedro Ferreira）。

隱秘的吸引

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迄今為止，我們對暗物質(zhì)具體性質(zhì)的理解很大程度上仍然停留在理論層面。這種物質(zhì)在電磁頻譜的任何波段都不可見，因?yàn)樗c尋常物質(zhì)之間不會發(fā)生電磁相互作用。暗物質(zhì)可以悄無聲息地穿行于輻射，磁場，或任何形式的電磁能量之間，而不留下絲毫痕跡。能夠確定暗物質(zhì)切實(shí)存在的唯一證據(jù)，只有它的引力對周遭環(huán)境產(chǎn)生的影響。

引力透鏡效應(yīng)便是這種間接證據(jù)的一種。當(dāng)光經(jīng)過星系等大質(zhì)量天體時，強(qiáng)大的引力場會將光線彎曲。然而，僅靠星系可見部分本身的引力，不足以產(chǎn)生觀測到的光線的彎曲程度。天文學(xué)家斷定，必然存在額外的不可見質(zhì)量，以彌補(bǔ)缺失的引力。這些額外的部分便是暗物質(zhì)，它們貢獻(xiàn)了宇宙總質(zhì)量的85%以上。然而，暗物質(zhì)的本質(zhì)到底是什么？圍繞這一疑問的激烈討論已經(jīng)持續(xù)了超過半個世紀(jì)，各種暗物質(zhì)的理論模型層出不窮，從亞原子粒子到數(shù)個太陽質(zhì)量的原初黑洞，都被認(rèn)為是可能的暗物質(zhì)候選。其中一種頗受歡迎的理論是所謂的輕標(biāo)量粒子，它們的質(zhì)量要比電子小好幾個數(shù)量級。由這種超輕粒子構(gòu)成的暗物質(zhì)理論上將在宏觀層面表現(xiàn)出波粒二象性，在天文觀測的尺度上也能同時兼具粒子和波的特征。

如果這種暗物質(zhì)波碰上一個快速旋轉(zhuǎn)的黑洞，它將能吸收黑洞的旋轉(zhuǎn)動能，提升自己的強(qiáng)度。這種被稱為超輻射（superradiance）的現(xiàn)象，就好比用力攪拌稀奶油來制作更粘稠的黃油，最終會將暗物質(zhì)波達(dá)到極高的密度。當(dāng)密度高到一定程度，這些超輕暗物質(zhì)將有可能在黑洞與另一個黑洞碰撞合并時產(chǎn)生的引力波信號中留下獨(dú)特的印記。

由MIT物理學(xué)家參與的研究提出了一種新的模型，預(yù)測了兩個合并的黑洞所發(fā)射的引力波（圖中藍(lán)色與紅色波形）能夠攜帶關(guān)于暗物質(zhì)（圖中淺紫色圖案）的關(guān)鍵信息。圖源：Soumen Roy et al.

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但這種印記具體會是什么模樣？在引力波跨越數(shù)百萬光年到達(dá)地球后，我們是否仍然能發(fā)掘出這些在遙遠(yuǎn)過去留下的回響？這些便是奧雷科埃切亞和合作者們在論文中探討的問題。研究者們建立了一個模型，用來預(yù)測兩個黑洞在暗物質(zhì)環(huán)境中碰撞時產(chǎn)生的引力波的波形，與在暗物質(zhì)匱乏的真空中碰撞時產(chǎn)生的引力波形有何不同。

印記的喻示

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相撞的兩個黑洞產(chǎn)生的引力波形也受這對黑洞雙星各自的性質(zhì)影響。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過調(diào)整諸如每個黑洞的大小和質(zhì)量、黑洞周圍的暗物質(zhì)環(huán)境，以及暗物質(zhì)密度等參數(shù)，詳盡地考察了各種場景和屬性下的黑洞雙星系統(tǒng)。

這些實(shí)驗(yàn)幫助他們建立了一個模型，以量化地描述黑洞雙星發(fā)射的引力波中暗物質(zhì)的印記，并預(yù)測這樣的引力波在穿過浩瀚的時空到達(dá)我們的探測器時將顯示出怎樣的形態(tài)。

有了這一模型，科學(xué)家們回過頭去審視了迄今為止的引力波數(shù)據(jù)。他們想知道，暗物質(zhì)的草蛇灰線，是否早已深埋在我們接收到的時空漣漪之中？為此，他們在LVK項(xiàng)目在2015年到2020年間的三次早期運(yùn)行所觀測到的數(shù)百個引力波事件中，挑選了最清晰的28段信號。

對每段信號，研究團(tuán)隊(duì)都使用模型預(yù)測了這一引力波事件在暗物質(zhì)的影響下理應(yīng)呈現(xiàn)的信號，并和實(shí)際信號做了對比。出于嚴(yán)謹(jǐn)，他們同樣對比了模型預(yù)測的在不含暗物質(zhì)的真空環(huán)境中的信號。

在28段信號中，27段都與模型預(yù)測的不含暗物質(zhì)的情形嚴(yán)密吻合。唯一不同尋常的是GW190728號信號，對其分析的結(jié)果比起真空更偏好包含暗物質(zhì)的情形，換句話說，這段信號是由一次受暗物質(zhì)影響的引力波事件所產(chǎn)生的概率高于它與暗物質(zhì)無關(guān)的概率。

引力波信號通常以其首次被探測到的日期命名。GW190728意味著這一引力波事件于2019年7月28日首次被人類記錄。這一事件被認(rèn)為是一對總質(zhì)量約為20倍太陽質(zhì)量的黑洞雙星合并時產(chǎn)生的。上述結(jié)果顯示，這對黑洞在合并時，很可能正穿過一團(tuán)濃密的暗物質(zhì)云。

當(dāng)兩個黑洞相撞合并，將發(fā)射引力波。（圖源：Maggie Chiang for Simons Foundation）。

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這一結(jié)果的統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性尚不足以確鑿證明暗物質(zhì)的存在，其本身也還需要其他實(shí)驗(yàn)組的獨(dú)立驗(yàn)證?！?奧雷科埃切亞表示，“在我們看來，真正重要的結(jié)論是，我們的引力波形模型能避免在暗物質(zhì)環(huán)境中合并的黑洞引力波被錯誤歸類為在真空中的合并事件?！?/p>

“隨著LVK項(xiàng)目持續(xù)收集數(shù)據(jù)，如今我們已經(jīng)有能力探測到黑洞周圍的暗物質(zhì)了?！必?fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析的論文合著者蘇門·羅伊表示，“時下正是利用引力波研究新物理的好時機(jī)?！?/p>

“如果真能用黑洞來探測暗物質(zhì)，那就再好不過了。”負(fù)責(zé)推導(dǎo)理論模型的羅德里戈·維森特如此評論，“我們將有機(jī)會在遠(yuǎn)超以往的微小尺度上探尋暗物質(zhì)的奧秘?！?/p>

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圖片來源：NASA

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