麻省理工学院（MIT）与数家欧洲机构的物理学家们，近期开发出一种创新方法，旨在从引力波中识别出可能隐藏的暗物质迹象。引力波是时空中的涟漪，由黑洞等大质量天体相互螺旋并合时产生。如果这些黑洞在碰撞前曾穿越致密的暗物质云，那么由此产生的引力波就可能携带着这种相互作用的微妙痕迹。
该团队利用LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) 国际引力波观测网络公开的数据，对他们的方法进行了测试。LVK网络持续监测黑洞并合及其他遥远宇宙事件。
研究人员分析了LVK前三轮观测期间收集到的信号，重点关注了迄今为止探测到的28个最清晰的引力波事件。
在这28个事件中，有27个事件的信号与科学家们预期中黑洞在“空旷”宇宙空间中并合的模式相符。然而，一个名为GW190728的信号却显得与众不同。根据该团队的分析，这个引力波的模式可能包含了与暗物质相互作用的证据。
研究人员强调，这并非暗物质的最终确认性发现。相反，这项新技术提供了一种扫描引力波数据以寻找有前景信号的途径，这些信号未来可以进行更深入的调查。
麻省理工学院物理系博士后Josu Aurrekoetxea表示：“我们知道暗物质就在我们周围。它只需要足够致密，我们就能看到它的效应。黑洞提供了一种增强这种密度（暗物质）的机制，我们现在可以通过分析它们并合时发出的引力波来寻找这种机制。”
这项研究成果已发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。Aurrekoetxea与比利时鲁汶大学（UCLouvain）的LVK成员Soumen Roy、阿姆斯特丹大学的Rodrigo Vicente、伦敦玛丽女王大学的Katy Clough以及牛津大学的Pedro Ferreira共同撰写了这项研究。
暗物质仍然是物理学中最大的谜团之一。科学家们推断它的存在，是因为星系周围的引力似乎比仅由可见物质所能解释的要强。对引力透镜效应的观测——即光线在星系周围弯曲——表明存在一个额外的、看不见的质量源在影响着空间。
目前的估计表明，暗物质可能占宇宙中物质总量的85%以上。然而，研究人员仍然不清楚暗物质究竟由什么组成。
一种被提出的形式涉及极其轻的粒子，称为“轻标量粒子”。理论认为，这些粒子在黑洞附近可以表现出协调的波状行为。
科学家们相信，当这些波遇到快速旋转的黑洞时，黑洞的旋转能量可以转移到暗物质波中，从而显著增加它们的密度。这个过程被称为“超辐射”（superradiance），它被比作将奶油搅打成黄油的过程。
如果密度变得足够高，暗物质可能会改变黑洞碰撞时产生的引力波。
为了探究这种可能性，研究人员在多种不同条件下建立了黑洞并合的详细模拟。他们改变了包括黑洞的质量和大小、周围暗物质的数量以及暗物质的密度等因素。
利用这些模拟，该团队预测了如果黑洞在致密的暗物质环境中而非真空中并合，引力波将如何呈现。
该模型还考虑了这些波在传播数百万光年到达地球探测器之前将如何变化。
随后，研究人员将他们的预测与实际的LVK观测结果进行了比较。在检查的28个最强信号中，GW190728是唯一一个与暗物质情景吻合的事件。
GW190728于2019年7月28日首次被探测到。早期的研究确定该信号来自两个总质量约为太阳20倍的黑洞。根据这项新分析，这些黑洞可能是在一个致密的暗物质云中并合的。
Aurrekoetxea指出：“这种统计学意义尚未高到足以宣称探测到暗物质，并且需要由独立的团队进行进一步的检查。我们认为重要的是要强调，如果没有像我们这样的波形模型，我们可能会探测到暗物质环境中的黑洞并合，但系统性地将其归类为发生在真空中。”
研究人员表示，未来几年引力波观测数量的不断增长，可能会使这种方法变得越来越有用。
负责数据分析部分的合著者Soumen Roy表示：“随着LVK探测器在未来几年持续收集数据，我们现在有潜力发现黑洞周围的暗物质。这是一个利用引力波寻找新物理学的激动人心的时刻。”
开发了信号分析模型的合著者Rodrigo Vicente补充道：“利用黑洞来寻找暗物质将是极好的。我们将能够探测到比以往任何时候都小得多的尺度上的暗物质。”
这项研究部分得到了美国国家科学基金会（U.S. National Science Foundation）和麻省理工学院理论物理中心——莱因韦伯研究所（MIT's Center for Theoretical Physics -- a Leinweber Institute）的支持。
参考文献: Josu Aurrekoetxea et al. Searching for ultralight dark matter with gravitational wave observations of black hole mergers. Physical Review Letters, 2024; DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.061401