黑洞當放大鏡，MIT等新模型從引力波中找出「可疑印記」

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浩瀚宇宙，我們能觀測到的物質僅占約 5%，其余的 95% 完全隱匿于我們的視線之外，被稱為暗物質與暗能量。

暗物質可以穿過光、磁場以及電磁波譜上的任何其他能量形式而不留痕跡。目前，科學家探測暗物質的主流途徑是通過引力波。如果兩個碰撞的黑洞在密集的暗物質區域中螺旋運動并合并，那么在時空中蕩漾的引力波就可能攜帶暗物質的印記。

現在，物理學家或許能夠在地球上探測到的引力波中發現這種暗物質的印記。

來自麻省理工學院（MIT）和歐洲的研究人員開發出一種方法，可以預測：如果引力波是由穿越暗物質（而非真空）的黑洞產生的，那么它應該呈現出怎樣的形態。研究論文發表在《物理評論快報》上。

論文地址：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/fv9z-zkxx

暗物質的引力

根據愛因斯坦的廣義相對論，時空在大質量天體附近會發生畸變，使得光線經過大質量天體附近時發生彎曲。如果在觀測者到光源的直線上有一個大質量天體，則觀測者會看到由于光線彎曲而形成的一個或多個像，這種現象稱為引力透鏡現象。

天文學家推測，除了星系自身的引力之外，可能還存在額外的引力來解釋這種「透鏡效應」。物理學家猜測，這種額外的力就是暗物質的引力。

一類被提出的暗物質由「輕標量」粒子組成，其質量比電子輕多個數量級。理論預言，這種暗物質在黑洞附近運動時，不僅會表現為粒子，還會表現為協調的波。

物理學家還預言，當暗物質波與快速旋轉的黑洞接觸時，黑洞的旋轉能量會轉移到暗物質上，從而放大暗物質，類似于放大鏡的作用。

這種現象稱為超輻射，它會使暗物質波的密度變得極高，類似于將奶油攪拌成黃油。而在密度足夠高的情況下，原本無論如何都不可見的輕標量暗物質，會在黑洞碰撞發出的引力波上留下印記。

但這個印記究竟是什么樣的？這種印記能否在數百萬光年外、抵達地球的引力波中探測到？

MIT 等機構的這項研究回答了上述問題。

印記的預測

研究團隊開發了一個模型，用以預測兩種情況下兩個黑洞產生的引力波形（即引力波模式）：一是在暗物質環境中碰撞，二是在真空（沒有暗物質）中碰撞。

具體來說，他們進行了詳細的數值模擬，以預測在兩個碰撞黑洞（稱為「雙黑洞系統」）的各種屬性下會產生怎樣的引力波，考慮了各種場景，例如改變每個黑洞的大小和質量、黑洞可能穿越的暗物質環境，以及黑洞旋轉會提升的暗物質密度。

模型需要預測兩個層面：

• 如果雙黑洞產生的引力波攜帶著暗物質印記，它應該是什么樣；
• 如果該引力波在時空中傳播特定距離后最終抵達地球上的探測器，它又應該是什么樣。

研究團隊將模型應用于 LIGO-Virgo-KAGRA（LVK）全球觀測網絡先前記錄的公開引力波數據，該網絡用于探測黑洞合并及其他遙遠天體物理源產生的引力波。

他們查閱了 LVK 在三次觀測運行中記錄到的引力波信號，并聚焦于 28 個最清晰的信號，結果發現：其中 27 個來自在真空中合并的黑洞，但有一個信號，GW190728，其波形顯示出可能是暗物質印記的跡象。

GW190728 是根據探測日期 ——2019 年 7 月 28 日命名的引力波?？茖W家先前確定，該引力波來自一個總質量約為太陽質量 20 倍的雙黑洞系統。

需要注意的是，研究團隊強調：他們并未探測到暗物質，還需要獨立團隊進行進一步檢驗。但如果沒有該研究提出的波形模型，研究人員可能會探測到暗物質環境中的黑洞合并，卻系統性地將它們歸類為在真空中發生。

這項研究的價值在于利用黑洞尋找暗物質，讓科學家能夠以前所未有的更小尺度探測暗物質。如研究團隊成員 Soumen Roy 所說：「利用引力波尋找新物理學的時代令人興奮。」

參考鏈接：https://news.mit.edu/2026/new-way-spot-signs-dark-matter-0512