黑洞合并可能会通过引力波揭示出新的粒子

在最近发表于Physical Review Letters的一篇论文中，来自阿姆斯特丹和哥本哈根的物理学家提出，对合并黑洞对的详细观测可以揭示潜在新粒子的信息。旋转黑洞周围会形成超轻粒子云。 阿姆斯特丹大学和哈佛大学的一组物理学家现在证明，这些云会在双黑洞发出的引力波上留下特征性印记， 这项研究以哥本哈根大学科学家在过去六年中的一系列最新发现为基础。

如果存在新的超轻粒子，黑洞就会被这种粒子云包围，其行为与原子中的电子云惊人地相似。 当另一个重物螺旋进入并最终与黑洞合并时，引力原子就会电离并发射出粒子，就像光照到金属上时发射出电子一样。

两个黑洞合并时发出的引力波携带着关于两个黑洞轨道形状和演变的详细信息。 来自阿姆斯特丹大学（University of Amsterdam）的物理学家乔瓦尼-玛丽亚-托马塞利（Giovanni Maria Tomaselli）和詹弗兰科-贝尔托内（Gianfranco Bertone）与阿姆斯特丹大学前硕士生托马斯-斯皮克斯马（Thomas Spieksma）（现就读于哥本哈根尼尔斯玻尔研究所）共同进行的一项新研究表明，对这些信息进行仔细分析可能会揭示自然界中新粒子的存在。

能够探测到新粒子的机制叫做黑洞超辐射。 当黑洞的旋转速度足够快时，它可以将自己的部分质量转移到周围的粒子"云"中。 由于与质子周围的电子云相似，黑洞-云系统被称为"引力原子"。 由于只有当粒子比迄今为止在实验中测得的粒子轻得多时，超光度才会有效，因此这一过程为探测被称为超轻玻色子的新粒子的存在提供了独特的机会，而这些粒子的存在可能会解决天体物理学、宇宙学和粒子物理学中的一些难题。

在过去六年里，弗吉尼亚大学的科学家们在一系列有影响力的论文中对存在超轻玻色子云的双黑洞的轨道演化进行了研究。 发现的一个重要新现象是共振跃迁，即玻色子云从一种状态"跳跃"到另一种状态，类似于普通原子中的电子在轨道间跳跃。

另一种与普通原子行为类似的新现象是电离，即部分粒子云被抛射出去。 这两种效应都会在发射的引力波上留下特征印记，但这些印记的细节取决于粒子云的状态--迄今为止尚不清楚。 为了填补这些剩余的细节，新的研究结合了之前的所有结果，并跟踪了该系统从双黑洞形成到黑洞合并的历史。

主要结论极大地提高了我们对双引力原子的理解。 研究人员发现，这种系统的演化可能有两种结果，两种结果都同样有趣。 如果黑洞和云最初的旋转方向相反，那么云就会以最初由超光度产生的状态存活下来，并通过电离作用变得可以探测到，电离作用会在引力波上留下清晰的特征。 在所有其他情况下，共振转换会完全摧毁云，双星轨道会获得非常具体的偏心率和倾角值，这可以从引力波信号中测量出来。

因此，这一新结果为寻找新粒子提供了一种新颖而可靠的搜索策略，一种情况是通过探测引力波波形中的电离效应，另一种情况是通过观测具有预测偏心率和倾角值的异常过剩系统。 对于这两种情况，即将进行的详细引力波观测将揭示有关是否存在新的超轻粒子这一问题的非常有趣的信息。

研究小组证明，这一过程可能会极大地改变这种双星系统的演化过程，大大缩短双星系统相互合并所需的时间。 此外，引力原子的电离在双黑洞之间非常特定的距离上会增强，这导致我们从这种合并中探测到的引力波具有尖锐的特征。 未来的引力波干涉仪--类似于 LIGO 和 Virgo 探测器的机器--可以观测到这些效应。 发现引力原子的预测特征将为新的超轻粒子的存在提供独特的证据。

编译自/SciTechDaily