编辑丨coisini
浩瀚宇宙，我们能观测到的物质仅占约 5%，其余的 95% 完全隐匿于我们的视线之外，被称为暗物质与暗能量。
暗物质可以穿过光、磁场以及电磁波谱上的任何其他能量形式而不留痕迹。目前，科学家探测暗物质的主流途径是通过引力波。如果两个碰撞的黑洞在密集的暗物质区域中螺旋运动并合并，那么在时空中荡漾的引力波就可能携带暗物质的印记。
现在，物理学家或许能够在地球上探测到的引力波中发现这种暗物质的印记。
来自麻省理工学院（MIT）和欧洲的研究人员开发出一种方法，可以预测：如果引力波是由穿越暗物质（而非真空）的黑洞产生的，那么它应该呈现出怎样的形态。研究论文发表在《物理评论快报》上。
论文地址：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/fv9z-zkxx
暗物质的引力
根据爱因斯坦的广义相对论，时空在大质量天体附近会发生畸变，使得光线经过大质量天体附近时发生弯曲。如果在观测者到光源的直线上有一个大质量天体，则观测者会看到由于光线弯曲而形成的一个或多个像，这种现象称为引力透镜现象。
天文学家推测，除了星系自身的引力之外，可能还存在额外的引力来解释这种「透镜效应」。物理学家猜测，这种额外的力就是暗物质的引力。
一类被提出的暗物质由「轻标量」粒子组成，其质量比电子轻多个数量级。理论预言，这种暗物质在黑洞附近运动时，不仅会表现为粒子，还会表现为协调的波。
物理学家还预言，当暗物质波与快速旋转的黑洞接触时，黑洞的旋转能量会转移到暗物质上，从而放大暗物质，类似于放大镜的作用。
这种现象称为超辐射，它会使暗物质波的密度变得极高，类似于将奶油搅拌成黄油。而在密度足够高的情况下，原本无论如何都不可见的轻标量暗物质，会在黑洞碰撞发出的引力波上留下印记。
但这个印记究竟是什么样的？这种印记能否在数百万光年外、抵达地球的引力波中探测到？
MIT 等机构的这项研究回答了上述问题。
印记的预测
研究团队开发了一个模型，用以预测两种情况下两个黑洞产生的引力波形（即引力波模式）：一是在暗物质环境中碰撞，二是在真空（没有暗物质）中碰撞。
具体来说，他们进行了详细的数值模拟，以预测在两个碰撞黑洞（称为「双黑洞系统」）的各种属性下会产生怎样的引力波，考虑了各种场景，例如改变每个黑洞的大小和质量、黑洞可能穿越的暗物质环境，以及黑洞旋转会提升的暗物质密度。
模型需要预测两个层面：
- 如果双黑洞产生的引力波携带着暗物质印记，它应该是什么样；
- 如果该引力波在时空中传播特定距离后最终抵达地球上的探测器，它又应该是什么样。
研究团队将模型应用于 LIGO-Virgo-KAGRA（LVK）全球观测网络先前记录的公开引力波数据，该网络用于探测黑洞合并及其他遥远天体物理源产生的引力波。
他们查阅了 LVK 在三次观测运行中记录到的引力波信号，并聚焦于 28 个最清晰的信号，结果发现：其中 27 个来自在真空中合并的黑洞，但有一个信号，GW190728，其波形显示出可能是暗物质印记的迹象。
GW190728 是根据探测日期 ——2019 年 7 月 28 日命名的引力波。科学家先前确定，该引力波来自一个总质量约为太阳质量 20 倍的双黑洞系统。
需要注意的是，研究团队强调：他们并未探测到暗物质，还需要独立团队进行进一步检验。但如果没有该研究提出的波形模型，研究人员可能会探测到暗物质环境中的黑洞合并，却系统性地将它们归类为在真空中发生。
这项研究的价值在于利用黑洞寻找暗物质，让科学家能够以前所未有的更小尺度探测暗物质。如研究团队成员 Soumen Roy 所说：「利用引力波寻找新物理学的时代令人兴奋。」
参考链接：https://news.mit.edu/2026/new-way-spot-signs-dark-matter-0512
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