宇宙中大约85%的物质是看不见的。
物理学家把它叫做暗物质,它不发光、不反光、不与电磁力发生任何反应,唯一能暴露它存在的,只有引力。将近一个世纪以来,人类用越来越精密的探测器寻找它,用越来越庞大的粒子对撞机追踪它,什么都没找到。
但现在,有一支研究团队说,答案可能早在2019年就悄悄落入了我们的探测器,只是没有人意识到。
这项研究来自麻省理工学院(MIT)、阿姆斯特丹大学、伦敦玛丽女王大学、牛津大学和比利时鲁汶天主教大学的联合团队,成果发表于《物理评论快报》。
研究的核心逻辑是这样的:在暗物质的众多候选者中,有一类被称为"超轻标量粒子",质量比电子还轻上许多个数量级。这类暗物质的特别之处,在于它在极端引力环境下不再像普通粒子那样四散飘荡,而是表现得像协调一致的波。
当这样的暗物质波遭遇一个快速旋转的黑洞时,一种叫做"超辐射"的机制会被触发:黑洞的自转能量被转移给暗物质,就像将牛奶搅打成奶油一样,周围的暗物质密度被迅速放大,最终形成一朵致密的暗物质云包裹在黑洞周围。
如果两个这样的黑洞相互靠近、最终碰撞合并,它们向外发射的引力波,就会携带这朵云的"指纹",在波形中留下可辨识的特征印记。
问题是:这个印记应该长什么样?研究团队为此建立了详细的数值模拟模型,系统预测了双黑洞系统在有无暗物质云两种环境下,合并时产生的引力波波形差异。这套模型不只是定性描述,而是精确到可以和实际探测数据逐一比对的程度。
有了模型,下一步就是翻数据。
对每一个信号,他们都做了同一件事:把实际探测到的波形,同时与"真空中合并"和"暗物质云中合并"两个理论预测进行比对,看哪个更吻合。
结果是:27个信号,清清楚楚地指向真空,符合物理学家最初的预期。但第28个,编号为GW190728的信号,给出了一个不同寻常的答案。它的波形模式与暗物质云中的双黑洞合并高度吻合,与真空模型的拟合度反而明显偏低。
GW190728是2019年7月28日被探测到的一次引力波事件,来源是一对总质量约为太阳20倍的双黑洞系统合并。按照团队的计算,这样的系统如果在一朵致密暗物质云内部合并,完全可以产生与GW190728相符的信号特征。
这个发现本身就够让人兴奋了。麻省理工学院物理系博士后约苏·奥雷科埃切亚说:"黑洞提供了一种增强暗物质密度的机制,而我们现在可以通过分析引力波来搜寻这种迹象。"阿姆斯特丹大学的罗德里戈·维森特则补充说,这套方法能够探测到"比以往任何时候都小得多的暗物质尺度",这意味着一扇此前完全关闭的观测窗口,正在被缓慢推开。
但研究团队同时发出了非常清晰的警告:这不是暗物质探测的宣言。"这一发现的统计显著性还不够高,不足以声称探测到了暗物质,还需要由独立小组进行进一步的检验,"奥雷科埃切亚说。
这份谨慎是必要的。暗物质是什么,物理学界至今没有共识,候选者名单从弱相互作用的大质量粒子(WIMP)、致密的大质量天体(MACHO)、惰性中微子,一直延伸到原初黑洞,甚至有人认为暗物质根本不存在,真正需要修改的是我们的引力理论本身。GW190728的波形异常,也完全可能来自某种尚未充分考虑的常规天体物理因素。
这项研究的意义不在于"找没找到",而在于它开辟了一条全新的思路。过去四十年,科学家用几十吨重的液态氙探测器在地下苦苦守候WIMP,什么都没守到。如今,也许答案早已藏在已经收集了几百次的引力波数据里,等待更精确的模型将它翻出来。
LVK网络目前正在进行第四轮观测,预计将积累数百个新的引力波事件。更多数据意味着更多机会让GW190728的"异常"要么被证实,要么被推翻。寻找暗物质这件事,终于有了一把新工具,而它用的不是光,是时空本身的涟漪。
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