科學(xué)家在黑洞碰撞中發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)痕跡

閱讀時(shí)長(zhǎng)：5分鐘 | 宇宙中那些看不見摸不著的暗物質(zhì)，竟會(huì)在兩個(gè)黑洞發(fā)生碰撞時(shí)留下痕跡！

最近，一支國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)在一堆引力波數(shù)據(jù)里，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)不太對(duì)勁的信號(hào)，編號(hào)為GW190728，那波形，怎么看都像是暗物質(zhì)留下的痕跡！

什么是暗物質(zhì)？

暗物質(zhì)簡(jiǎn)直是物理學(xué)界的“頭號(hào)懸案”，你說(shuō)它不存在吧，宇宙里到處都是它留下的痕跡，你說(shuō)它存在吧，咱們用望遠(yuǎn)鏡、探測(cè)器，怎么找都找不到它的身影。

早在上世紀(jì)30年代，瑞士天文學(xué)家茲威基就發(fā)現(xiàn)了不對(duì)勁。他研究后發(fā)座星系團(tuán)時(shí)，發(fā)現(xiàn)星系們跑得太快了，快到以星系團(tuán)里所有可見物質(zhì)的質(zhì)量，根本抓不住它們，按常理早就該飛散到宇宙里去了。于是他腦洞大開，提出存在一種暗物質(zhì)，用額外的引力把星系團(tuán)牢牢綁在一起。

到了70年代，美國(guó)天文學(xué)家維拉?魯賓進(jìn)一步證實(shí)了這個(gè)猜想。她觀測(cè)螺旋星系時(shí)發(fā)現(xiàn)，星系外圍的恒星轉(zhuǎn)速和內(nèi)側(cè)差不多快，這完全違背了萬(wàn)有引力定律，如果只有可見物質(zhì)，外側(cè)恒星早該被甩出去了。

現(xiàn)在科學(xué)界基本達(dá)成共識(shí)：暗物質(zhì)占了宇宙中所有物質(zhì)的85%以上，比咱們能看到的星星、氣體、塵埃加起來(lái)多得多。可它偏偏不按常理出牌，不發(fā)光、不反光，也不跟電磁波產(chǎn)生任何相互作用，就像個(gè)“透明人”，只有通過引力才能發(fā)覺它的存在。

幾十年來(lái)，科學(xué)家們想了無(wú)數(shù)辦法找它，埋在地下幾公里深的實(shí)驗(yàn)室、發(fā)射到太空的探測(cè)器、大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)……結(jié)果呢？什么都沒找到，暗物質(zhì)就像在跟人類玩躲貓貓，藏得嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)的。

暗物質(zhì)的痕跡藏在引力波里

研究團(tuán)隊(duì)提出一個(gè)大膽的想法，如果兩個(gè)黑洞合并時(shí)，正好穿過一團(tuán)致密的暗物質(zhì)云，那暗物質(zhì)會(huì)不會(huì)在引力波上留下特殊的印記？就像咱們手指按在紙上，會(huì)留下獨(dú)一無(wú)二的指紋一樣。

這個(gè)想法背后有一套完整的理論支撐，目前主流的暗物質(zhì)候選者之一，是一種叫輕標(biāo)量粒子的東西，質(zhì)量小到難以想象。這種粒子在普通環(huán)境下跟普通物質(zhì)幾乎不互動(dòng)，但在黑洞附近的極端引力場(chǎng)里，情況就不一樣了，它們會(huì)表現(xiàn)出波動(dòng)性，像水波一樣在黑洞周圍蕩漾。

更神奇的是超輻射效應(yīng)，當(dāng)這些暗物質(zhì)波遇到快速旋轉(zhuǎn)的黑洞時(shí)，黑洞會(huì)像一臺(tái)超級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，把自己的旋轉(zhuǎn)能量輸送給暗物質(zhì)波，讓它們的能量和密度急劇增加，聚集成一團(tuán)玻色云，緊緊包裹著黑洞。就像你攪動(dòng)一杯奶油，越攪越濃稠，最后變成黃油一樣。

當(dāng)兩個(gè)這樣的黑洞撞在一起時(shí)，它們周圍的暗物質(zhì)云就會(huì)影響引力波的傳播，讓波形發(fā)生微妙的變化。研究團(tuán)隊(duì)的核心工作，就是算出這種變化到底長(zhǎng)什么樣，然后去數(shù)據(jù)庫(kù)里找匹配的信號(hào)。

GW190728，一個(gè)不太對(duì)勁”的信號(hào)

研究團(tuán)隊(duì)分析了黑洞碰撞前三次觀測(cè)運(yùn)行中記錄的28個(gè)最清晰的引力波事件。結(jié)果呢？前27個(gè)信號(hào)都完美符合真空合并模型，也就是兩個(gè)黑洞在空蕩蕩的宇宙里撞在一起，沒有任何暗物質(zhì)干擾。

但第28個(gè)，也就是GW190728，卻有點(diǎn)不對(duì)勁了。這個(gè)信號(hào)是2019年7月28日被發(fā)現(xiàn)的，來(lái)自兩個(gè)總質(zhì)量約為20倍太陽(yáng)的黑洞合并。用團(tuán)隊(duì)新開發(fā)的模型一分析發(fā)現(xiàn)，它的波形居然更貼近暗物質(zhì)云環(huán)境下合并的預(yù)測(cè)，反而跟真空模型的擬合度沒那么高。

這是不是就意味著，我們終于找到暗物質(zhì)的證據(jù)了？

但研究團(tuán)隊(duì)強(qiáng)調(diào)，這只是一個(gè)統(tǒng)計(jì)偏好，顯著性還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，不能算作正式發(fā)現(xiàn)。

你可能會(huì)問，就算真能從引力波里找到暗物質(zhì)痕跡，又有什么意義呢？

首先，這給我們提供了一種全新的探測(cè)手段。以前找暗物質(zhì)，要么靠地下實(shí)驗(yàn)室捕捉粒子碰撞，要么靠天文觀測(cè)間接推斷，都有各自的局限。而引力波探測(cè)，相當(dāng)于給我們打開了一扇新窗戶，能在黑洞附近這種極端環(huán)境下，探測(cè)到暗物質(zhì)的蛛絲馬跡。

其次，這能幫我們搞清楚暗物質(zhì)到底是什么。如果GW190728的異常真的是暗物質(zhì)導(dǎo)致的，那就能證實(shí)輕標(biāo)量粒子的存在，解決物理學(xué)界幾十年的懸案。而且，通過分析這種信號(hào)，我們還能算出暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量、相互作用強(qiáng)度等關(guān)鍵參數(shù)，填補(bǔ)標(biāo)準(zhǔn)模型的空白。

更重要的是，這標(biāo)志著引力波天文學(xué)進(jìn)入了一個(gè)新階段。以前我們用引力波研究黑洞、中子星這些天體，現(xiàn)在居然能用來(lái)探索暗物質(zhì)這種基礎(chǔ)物理問題。

下次你仰望星空的時(shí)候，不妨想想，那些看似平靜的黑暗里，可能正上演著驚心動(dòng)魄的黑洞碰撞，而在那些碰撞產(chǎn)生的引力波中，或許就藏著解開宇宙終極奧秘的鑰匙。