引力波可能揭示黑洞周围隐藏的暗物质

阿姆斯特丹大学的科学家们开发了一种全新的方法，利用黑洞产生的引力波来揭示暗物质的存在，并深入了解其行为。他们的方法依托于基于爱因斯坦广义相对论的精细理论模型。该模型对黑洞与其周围环境中的物质（包括不可直接观测的暗物质）如何相互作用进行了细致的描述。

该研究由阿姆斯特丹 GRAPPA 重力与宇宙粒子物理卓越中心的 Rodrigo Vicente、Theophanes K. Karydas 和 Gianfranco Bertone 共同完成，结果发表于《物理评论快报》期刊。研究团队提出了一种更高级的计算方法，用以评估周围暗物质如何微妙地改变黑洞系统产生的引力波。

极端质量比螺旋与长周期引力波信号

该研究聚焦于一类被称为极端质量比螺旋（EMRI）的系统。当一个质量较小、密度较高的天体（例如由单颗恒星坍缩形成的黑洞）绕更大质量的黑洞（通常位于星系中心）运动时，就会产生 EMRI。随着时间推移，较小天体逐渐向内螺旋，沿着这一缓慢降落过程持续发射引力波。

即将到来的空间任务（包括欧洲航天局计划于 2035 年发射的 LISA 空间天线）预计将观测到这些信号长达数月甚至数年，覆盖数十万到数百万个单独轨道。当科学家能够以高精度模拟这些信号时，所得数据就像细致的“宇宙指纹”，揭示了巨大黑洞附近物质的分布情况，包括被认为构成宇宙大部分质量的暗物质。

完全相对论模型的重要性

在 LISA 等天文台开始收集数据之前，研究人员必须提前了解预期的引力波模式以及如何解释它们。迄今为止，许多研究使用了仅粗略描述周围环境如何影响 EMRI 的简化模型。作者指出，这些近似忽略了重要的物理效应。

新的工作通过引入首个完整相对论框架来解决这一限制。这意味着计算完全基于爱因斯坦的引力理论，而非简化的牛顿近似。结果，模型能够更准确地描述巨型黑洞周围物质如何改变较小天体的轨道，并重塑所发射的引力波。

暗物质峰值与可探测印记

研究的核心是研究可能围绕巨型黑洞形成的暗物质密集区。这些浓缩区域通常被称为“峰值”或“堆积”。通过将相对论模型融入现代引力波形计算，研究人员证明了这类暗物质结构会在未来观测到的信号中留下独特且可测量的特征。

作者将这项研究描述为迈向更大科学目标的重要一步。长期而言，他们希望利用引力波绘制暗物质在宇宙中的分布图，并为其根本性质提供新的洞见。

文中核心信息奇奇参考自论文 "Fully Relativistic Treatment of Extreme Mass-Ratio Inspirals in Collisionless Environments"（Physical Review Letters，2025 年），本内容在此相关信息基础上编撰而成，其中配图，未标注出处者，均为自制或公开图库素材。