黑洞碰撞的引力波能揭露暗物质的本质吗？

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原作：Jennifer Chu

翻译：刘明睿

校译：姜力萌

编排：江哲宇

后台：朱宸宇

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

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暗物质是当代天文学的一大谜团，这种神秘存在占据了宇宙中物质总量的大半，然而除了引力以外，它与常规物质之间不存在任何形式的相互作用。长久以来，科学界为了解明暗物质的真身绞尽脑汁。如今，物理学家们提出了一种探测暗物质的新颖方法：如果有两个黑洞在一片暗物质富集的区域相撞，它们发射的引力波将有可能携带关于这些暗物质的关键信息。

循着这一思路，在麻省理工学院子 （Massachusetts Institute of Technology）和欧洲的研究者们预测了穿过高密度暗物质的黑洞发射的引力波的信号特征，并将结果与LVK项目(LIGO-Virgo-KAGRA，由激光干涉引力波天文台LIGO，室女座干涉仪Virgo，与神冈引力波探测器KAGRA联合组成的国际引力波探测项目)记录到的已知引力波数据作了对比。

LVK项目的四座观测设施。左至右，上至下：LIGO Hanford，位于美国华盛顿州里奇兰；KAGRA，位于日本岐阜县飞驒市；Virgo，位于意大利比萨；LIGO Livingston，位于美国印第安纳州利文斯顿。图源：欧洲引力天文台（European Gravitational Observatory）

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研究团队查阅了LVK项目在2015年到2020年间记录下的引力波数据，从中找出了28段最清晰的信号。其中的27段都来自两个在暗物质稀薄的真空中合并的黑洞。然而在剩下的GW190728号数据中，出现了类似科学家们预测的暗物质信号模式。

这一发现尚且还不能说明我们成功探测到了暗物质。更恰当的说法是，这种新方法能帮助科学家们从看似与暗物质毫无瓜葛的引力波信号中筛选暗物质的蛛丝马迹，并使用其他专为探测暗物质设计的技术进行更深入的后续观测。

“其实，哪怕就在我们的身边也存在着极其稀薄的暗物质。但它们需要足够稠密，才能让我们察觉这些物质的存在。” 麻省理工学院物理系的博士后研究员约苏·奥雷科埃切亚（Josu Aurrekoetxea）说，“黑洞恰恰提供了这种高暗物质密度的环境，所以通过合并黑洞的引力波信号，我们能得以一窥暗物质的秘密。”

奥雷科埃切亚和同僚们已将这一发现发表在物理学顶级期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。参与此项研究的成员还包括比利时鲁汶天主教大学（Université Catholique de Louvain）的苏门·罗伊（Soumen Roy），阿姆斯特丹大学（University of Amsterdam）的罗德里戈·维森特（Rodrigo Vicente），伦敦玛丽女王大学（Queen Mary University of London）的凯蒂·克拉夫（Katy Clough），以及牛津大学（Oxford University）的佩德罗·费雷拉（Pedro Ferreira）。

隐秘的吸引

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迄今为止，我们对暗物质具体性质的理解很大程度上仍然停留在理论层面。这种物质在电磁频谱的任何波段都不可见，因为它与寻常物质之间不会发生电磁相互作用。暗物质可以悄无声息地穿行于辐射，磁场，或任何形式的电磁能量之间，而不留下丝毫痕迹。能够确定暗物质切实存在的唯一证据，只有它的引力对周遭环境产生的影响。

引力透镜效应便是这种间接证据的一种。当光经过星系等大质量天体时，强大的引力场会将光线弯曲。然而，仅靠星系可见部分本身的引力，不足以产生观测到的光线的弯曲程度。天文学家断定，必然存在额外的不可见质量，以弥补缺失的引力。这些额外的部分便是暗物质，它们贡献了宇宙总质量的85%以上。然而，暗物质的本质到底是什么？围绕这一疑问的激烈讨论已经持续了超过半个世纪，各种暗物质的理论模型层出不穷，从亚原子粒子到数个太阳质量的原初黑洞，都被认为是可能的暗物质候选。其中一种颇受欢迎的理论是所谓的轻标量粒子，它们的质量要比电子小好几个数量级。由这种超轻粒子构成的暗物质理论上将在宏观层面表现出波粒二象性，在天文观测的尺度上也能同时兼具粒子和波的特征。

如果这种暗物质波碰上一个快速旋转的黑洞，它将能吸收黑洞的旋转动能，提升自己的强度。这种被称为超辐射（superradiance）的现象，就好比用力搅拌稀奶油来制作更粘稠的黄油，最终会将暗物质波达到极高的密度。当密度高到一定程度，这些超轻暗物质将有可能在黑洞与另一个黑洞碰撞合并时产生的引力波信号中留下独特的印记。

由MIT物理学家参与的研究提出了一种新的模型，预测了两个合并的黑洞所发射的引力波（图中蓝色与红色波形）能够携带关于暗物质（图中浅紫色图案）的关键信息。图源：Soumen Roy et al.

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但这种印记具体会是什么模样？在引力波跨越数百万光年到达地球后，我们是否仍然能发掘出这些在遥远过去留下的回响？这些便是奥雷科埃切亚和合作者们在论文中探讨的问题。研究者们建立了一个模型，用来预测两个黑洞在暗物质环境中碰撞时产生的引力波的波形，与在暗物质匮乏的真空中碰撞时产生的引力波形有何不同。

印记的喻示

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相撞的两个黑洞产生的引力波形也受这对黑洞双星各自的性质影响。研究团队进行了数值模拟，通过调整诸如每个黑洞的大小和质量、黑洞周围的暗物质环境，以及暗物质密度等参数，详尽地考察了各种场景和属性下的黑洞双星系统。

这些实验帮助他们建立了一个模型，以量化地描述黑洞双星发射的引力波中暗物质的印记，并预测这样的引力波在穿过浩瀚的时空到达我们的探测器时将显示出怎样的形态。

有了这一模型，科学家们回过头去审视了迄今为止的引力波数据。他们想知道，暗物质的草蛇灰线，是否早已深埋在我们接收到的时空涟漪之中？为此，他们在LVK项目在2015年到2020年间的三次早期运行所观测到的数百个引力波事件中，挑选了最清晰的28段信号。

对每段信号，研究团队都使用模型预测了这一引力波事件在暗物质的影响下理应呈现的信号，并和实际信号做了对比。出于严谨，他们同样对比了模型预测的在不含暗物质的真空环境中的信号。

在28段信号中，27段都与模型预测的不含暗物质的情形严密吻合。唯一不同寻常的是GW190728号信号，对其分析的结果比起真空更偏好包含暗物质的情形，换句话说，这段信号是由一次受暗物质影响的引力波事件所产生的概率高于它与暗物质无关的概率。

引力波信号通常以其首次被探测到的日期命名。GW190728意味着这一引力波事件于2019年7月28日首次被人类记录。这一事件被认为是一对总质量约为20倍太阳质量的黑洞双星合并时产生的。上述结果显示，这对黑洞在合并时，很可能正穿过一团浓密的暗物质云。

当两个黑洞相撞合并，将发射引力波。（图源：Maggie Chiang for Simons Foundation）。

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这一结果的统计学显著性尚不足以确凿证明暗物质的存在，其本身也还需要其他实验组的独立验证。” 奥雷科埃切亚表示，“在我们看来，真正重要的结论是，我们的引力波形模型能避免在暗物质环境中合并的黑洞引力波被错误归类为在真空中的合并事件。”

“随着LVK项目持续收集数据，如今我们已经有能力探测到黑洞周围的暗物质了。”负责数据分析的论文合著者苏门·罗伊表示，“时下正是利用引力波研究新物理的好时机。”

“如果真能用黑洞来探测暗物质，那就再好不过了。”负责推导理论模型的罗德里戈·维森特如此评论，“我们将有机会在远超以往的微小尺度上探寻暗物质的奥秘。”

责任编辑：DAIKIN

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图片来源：NASA

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