周一 · 知古通今|周二 · 牧夫專欄

周三 · 太空探索|周四 · 觀測指南

周五 · 深空探測|周六 · 茶余星話|周日 · 視頻天象

原作：Jennifer Chu

翻譯：劉明睿

校譯：姜力萌

編排：江哲宇

后臺：朱宸宇

原文鏈接：https://phys.org/news/2026-05-gravitational-colliding-black-holes-dark.html

牧夫天文

暗物質是當代天文學的一大謎團，這種神秘存在占據了宇宙中物質總量的大半，然而除了引力以外，它與常規物質之間不存在任何形式的相互作用。長久以來，科學界為了解明暗物質的真身絞盡腦汁。如今，物理學家們提出了一種探測暗物質的新穎方法：如果有兩個黑洞在一片暗物質富集的區域相撞，它們發射的引力波將有可能攜帶關于這些暗物質的關鍵信息。

循著這一思路，在麻省理工學院子 （Massachusetts Institute of Technology）和歐洲的研究者們預測了穿過高密度暗物質的黑洞發射的引力波的信號特征，并將結果與LVK項目(LIGO-Virgo-KAGRA，由激光干涉引力波天文臺LIGO，室女座干涉儀Virgo，與神岡引力波探測器KAGRA聯合組成的國際引力波探測項目)記錄到的已知引力波數據作了對比。

LVK項目的四座觀測設施。左至右，上至下：LIGO Hanford，位于美國華盛頓州里奇蘭；KAGRA，位于日本岐阜縣飛驒市；Virgo，位于意大利比薩；LIGO Livingston，位于美國印第安納州利文斯頓。圖源：歐洲引力天文臺（European Gravitational Observatory）

牧夫天文

研究團隊查閱了LVK項目在2015年到2020年間記錄下的引力波數據，從中找出了28段最清晰的信號。其中的27段都來自兩個在暗物質稀薄的真空中合并的黑洞。然而在剩下的GW190728號數據中，出現了類似科學家們預測的暗物質信號模式。

這一發現尚且還不能說明我們成功探測到了暗物質。更恰當的說法是，這種新方法能幫助科學家們從看似與暗物質毫無瓜葛的引力波信號中篩選暗物質的蛛絲馬跡，并使用其他專為探測暗物質設計的技術進行更深入的后續觀測。

“其實，哪怕就在我們的身邊也存在著極其稀薄的暗物質。但它們需要足夠稠密，才能讓我們察覺這些物質的存在。” 麻省理工學院物理系的博士后研究員約蘇·奧雷科埃切亞（Josu Aurrekoetxea）說，“黑洞恰恰提供了這種高暗物質密度的環境，所以通過合并黑洞的引力波信號，我們能得以一窺暗物質的秘密。”

奧雷科埃切亞和同僚們已將這一發現發表在物理學頂級期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。參與此項研究的成員還包括比利時魯汶天主教大學（Université Catholique de Louvain）的蘇門·羅伊（Soumen Roy），阿姆斯特丹大學（University of Amsterdam）的羅德里戈·維森特（Rodrigo Vicente），倫敦瑪麗女王大學（Queen Mary University of London）的凱蒂·克拉夫（Katy Clough），以及牛津大學（Oxford University）的佩德羅·費雷拉（Pedro Ferreira）。

隱秘的吸引

牧夫天文

迄今為止，我們對暗物質具體性質的理解很大程度上仍然停留在理論層面。這種物質在電磁頻譜的任何波段都不可見，因為它與尋常物質之間不會發生電磁相互作用。暗物質可以悄無聲息地穿行于輻射，磁場，或任何形式的電磁能量之間，而不留下絲毫痕跡。能夠確定暗物質切實存在的唯一證據，只有它的引力對周遭環境產生的影響。

引力透鏡效應便是這種間接證據的一種。當光經過星系等大質量天體時，強大的引力場會將光線彎曲。然而，僅靠星系可見部分本身的引力，不足以產生觀測到的光線的彎曲程度。天文學家斷定，必然存在額外的不可見質量，以彌補缺失的引力。這些額外的部分便是暗物質，它們貢獻了宇宙總質量的85%以上。然而，暗物質的本質到底是什么？圍繞這一疑問的激烈討論已經持續了超過半個世紀，各種暗物質的理論模型層出不窮，從亞原子粒子到數個太陽質量的原初黑洞，都被認為是可能的暗物質候選。其中一種頗受歡迎的理論是所謂的輕標量粒子，它們的質量要比電子小好幾個數量級。由這種超輕粒子構成的暗物質理論上將在宏觀層面表現出波粒二象性，在天文觀測的尺度上也能同時兼具粒子和波的特征。

如果這種暗物質波碰上一個快速旋轉的黑洞，它將能吸收黑洞的旋轉動能，提升自己的強度。這種被稱為超輻射（superradiance）的現象，就好比用力攪拌稀奶油來制作更粘稠的黃油，最終會將暗物質波達到極高的密度。當密度高到一定程度，這些超輕暗物質將有可能在黑洞與另一個黑洞碰撞合并時產生的引力波信號中留下獨特的印記。

由MIT物理學家參與的研究提出了一種新的模型，預測了兩個合并的黑洞所發射的引力波（圖中藍色與紅色波形）能夠攜帶關于暗物質（圖中淺紫色圖案）的關鍵信息。圖源：Soumen Roy et al.

牧夫天文

但這種印記具體會是什么模樣？在引力波跨越數百萬光年到達地球后，我們是否仍然能發掘出這些在遙遠過去留下的回響？這些便是奧雷科埃切亞和合作者們在論文中探討的問題。研究者們建立了一個模型，用來預測兩個黑洞在暗物質環境中碰撞時產生的引力波的波形，與在暗物質匱乏的真空中碰撞時產生的引力波形有何不同。

印記的喻示

牧夫天文、

相撞的兩個黑洞產生的引力波形也受這對黑洞雙星各自的性質影響。研究團隊進行了數值模擬，通過調整諸如每個黑洞的大小和質量、黑洞周圍的暗物質環境，以及暗物質密度等參數，詳盡地考察了各種場景和屬性下的黑洞雙星系統。

這些實驗幫助他們建立了一個模型，以量化地描述黑洞雙星發射的引力波中暗物質的印記，并預測這樣的引力波在穿過浩瀚的時空到達我們的探測器時將顯示出怎樣的形態。

有了這一模型，科學家們回過頭去審視了迄今為止的引力波數據。他們想知道，暗物質的草蛇灰線，是否早已深埋在我們接收到的時空漣漪之中？為此，他們在LVK項目在2015年到2020年間的三次早期運行所觀測到的數百個引力波事件中，挑選了最清晰的28段信號。

對每段信號，研究團隊都使用模型預測了這一引力波事件在暗物質的影響下理應呈現的信號，并和實際信號做了對比。出于嚴謹，他們同樣對比了模型預測的在不含暗物質的真空環境中的信號。

在28段信號中，27段都與模型預測的不含暗物質的情形嚴密吻合。唯一不同尋常的是GW190728號信號，對其分析的結果比起真空更偏好包含暗物質的情形，換句話說，這段信號是由一次受暗物質影響的引力波事件所產生的概率高于它與暗物質無關的概率。

引力波信號通常以其首次被探測到的日期命名。GW190728意味著這一引力波事件于2019年7月28日首次被人類記錄。這一事件被認為是一對總質量約為20倍太陽質量的黑洞雙星合并時產生的。上述結果顯示，這對黑洞在合并時，很可能正穿過一團濃密的暗物質云。

當兩個黑洞相撞合并，將發射引力波。（圖源：Maggie Chiang for Simons Foundation）。

牧夫天文

這一結果的統計學顯著性尚不足以確鑿證明暗物質的存在，其本身也還需要其他實驗組的獨立驗證。” 奧雷科埃切亞表示，“在我們看來，真正重要的結論是，我們的引力波形模型能避免在暗物質環境中合并的黑洞引力波被錯誤歸類為在真空中的合并事件。”

“隨著LVK項目持續收集數據，如今我們已經有能力探測到黑洞周圍的暗物質了。”負責數據分析的論文合著者蘇門·羅伊表示，“時下正是利用引力波研究新物理的好時機。”

“如果真能用黑洞來探測暗物質，那就再好不過了。”負責推導理論模型的羅德里戈·維森特如此評論，“我們將有機會在遠超以往的微小尺度上探尋暗物質的奧秘。”

責任編輯：DAIKIN

牧夫新媒體編輯部

『天文濕刻』 牧夫出品

微信公眾號：astronomycn

月亮與金星相合

圖片來源：NASA

謝謝閱讀