物理学家通过研究黑洞自旋以寻找暗物质拖拽黑洞证据

2021年04月19日 16:44 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

据外媒报道,随着难以捉摸的暗物质继续逃避探测,科学家们不得不在越来越陌生的地方进行搜索。在一项新研究中,来自麻省理工学院(MIT)的物理学家们研究了黑洞的自旋以寻找暗物质减慢黑洞自转的迹象。在宇宙中所有的物质中,我们每天接触的常规物质只占了15%左右。剩下的绝大多数则都跟我们所说的暗物质有关,暗物质似乎只通过其引力跟正常物质发生相互作用。

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几十年来,科学家一直未能直接探测到暗物质粒子,但这并非因为缺乏尝试。地球上的实验一直在使用大型强子对撞机、“轴子无线电”、由数十亿个微小摆组成的阵列、存放奇异液体的巨大地下储罐或超导腔来寻找这种奇怪的物质。但宇宙似乎也在进行自己的实验,这使得我们人类能在太空中发现暗物质的特征。这可能包括星系中由于暗物质粒子衰变而发出的不寻常的X射线,或可能是中子星附近由于暗物质粒子在其强大磁场中转换成光子而发出的奇怪的光或X射线。

现在,MIT LIGO实验室的物理学家已经在黑洞周围的新环境中找到这种神秘物质的迹象。他们的暗物质目标是一种被称为超轻玻色子的假想粒子。据悉,超轻玻色子的质量非常小,连电子质量的十亿分之一都不到。

如果这些超轻玻色子真的存在,量子理论预测一定质量的黑洞会吸引大量玻色子。但它们不会像你想象的那样简单地被吸进去--相反,这些粒子会聚集在黑洞周围,实际上会拖拽它并减慢它的自转。因此,如果发现某个质量的黑洞比它们“应该”的旋转速度要慢,这可能是存在暗物质影响的证据。

这项研究的论文主要作者Kwan Yeung Ng指出:“如果玻色子存在,我们会认为适当质量的老黑洞不会有大的自旋,因为玻色子云会提取大部分自旋。这意味着,如果发现自旋较大的黑洞就可以排除具有一定质量的玻色子的存在。”

这种奇异的效应是一些量子怪异模式的结果。基本上,由于它们的质量非常小,这些粒子不能被描述为在同一时间出现在一个特定的地方。相反,它们是用一种可能位置的波来描述的,粒子越小波就变得越长。在任何给定的时间,它可能出现的地方就越多。

因此,如果超轻玻色子存在于特定质量范围内,那么它们的波长将跟具有特定质量的黑洞的半径相当。由于永远无法确定这些微小粒子的确切位置,所以在靠近黑洞的时候永远无法完全确定它“掉进去了”。实际上,星云在黑洞中进进出出,在此过程中削弱了黑洞的角动量。

为了探测这种暗物质云是否存在,天文学家研究了45个黑洞双星的自旋。这些数据来自LIGO和Virgo合作项目对引力波的研究,引力波是黑洞碰撞时产生的。

于是该研究小组计算当这些黑洞跟超轻玻色子在一定质量范围(1.3x10^-13电子伏到2.7x10^-13电子伏)内相互作用其旋转速度会有多快。

结果他们发现,两个黑洞的旋转速度太快,以至于无法跟超轻玻色子发生任何相互作用。事实上,其中一个正在以接近绝对最高速度旋转。

研究人员表示,这个结果足以确定排除在这个质量范围内的超轻玻色子是暗物质。这并不是说暗物质本身不存在--相反,就像在其他实验中收到的其他null结果一样,这只是意味着我们正在缩小可能构成暗物质的粒子的范围。或者也许真的没有暗物质这种东西。

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