引力波能被用于探测暗物质吗?

1916年,爱因斯坦正式发表了广义相对论,这个引力理论认为引力是时空结构发生弯曲的结果。该理论预言,有质量的物体在时空结构中加速运动会产生涟漪,这就是引力波。

时空的涟漪:引力波

理论上,任何与引力相互作用的物体都能产生引力波。但只有最具高能的宇宙事件才会产生足够强大的引力波,从而让我们能够探测到。在2015年,激光干涉仪引力波天文台(LIGO)第一次直接探测到了引力波,其来源是遥远星系中的两个黑洞碰撞。此后,天文学家又相继多次直接探测到引力波,并在2017年首次探测到两颗中子星合并产生的引力波。引力波不但有力证实了广义相对论,而且还有望被用于暗物质探测。

难觅其踪的暗物质

当年天文学家在研究星系的旋转曲线时发现,星系中可能存在着大量有别于普通物质的不可见东西,它们产生的引力能让星系结构保持完整,否则星系必然会解体。据估计,宇宙中的暗物质是普通物质的五倍,它们的引力效应在宇宙中随处可见。

天文学家认为,既然物质可以产生引力波,那么,能够产生引力的暗物质也能产生引力波。虽然天文学家还没有确切地看到由暗物质引起的引力波,但他们从理论中推导出许多可能发生这种情况的方式。

原初黑洞

暗物质的引力效应已经被观测到,所以暗物质一定在那里,或者至少一定有什么东西导致了这些引力效应。但到目前为止,暗物质粒子还没有被直接探测到,所以天文学家至今不清楚暗物质到底是什么样子的。

一种观点是,一些暗物质实际上可能是原初黑洞。

在密度极高的早期宇宙中,密度波动可能会引发一些物质发生强烈引力坍缩形成黑洞,这是宇宙中可能存在的最早黑洞,它们被称为原初黑洞。如果这种黑洞真的存在,它们将会对早期宇宙的条件产生深远的影响。

通过利用引力波来了解黑洞的性质,LIGO有望能够证明或排除这个暗物质理论。与普通黑洞不同,原初黑洞没有形成所需的最小质量阈值,它们的质量最低可能只有一亿分之一千克。相比之下,最小的恒星级黑洞的质量下限为3倍太阳质量。如果LIGO探测到一个质量小于太阳的黑洞,那它有可能是一个原初黑洞。

不过,即便原初黑洞确实存在,它们是否能解释宇宙中所有的暗物质也是值得怀疑的。尽管如此,找到原初黑洞的证据将有助于我们对暗物质和宇宙起源的理解。

暗物质天体

暗物质似乎只通过引力与普通物质相互作用,但基于已知粒子相互作用的方式,天文学家认为暗物质也可能与自身相互作用。如果是这样的话,暗物质粒子可能会结合在一起形成像中子星一样致密的“暗天体”。

由于恒星的质量巨大,它们会强力压缩周围的时空结构。如果宇宙中充斥着致密的暗天体,那么,至少有一部分会被困在普通物质恒星中。

一颗普通的恒星和一个暗天体只会通过引力相互作用,从而使两者共存而不会引起太多的麻烦。然而,诸如超新星爆发等破坏恒星结构的过程,都可能在产生的中子星和被困的暗天体之间产生一种时空扰动。如果这样的事件发生在我们的星系,它将产生可探测到的引力波。

天文学家最近分析了LIGO的数据,结果并没有在地球、木星或太阳内部发现特定质量范围的致密暗天体。对此,只能把目光放在那些质量更大的恒星上,还需对引力波开展进一步的研究。

轴子星

暗物质粒子的另一个候选者是轴子,最初是在量子色动力学的研究中被提出来。天文学家认为,轴子有可能结合成类似中子星的轴子星,它们由极其致密的轴子物质组成。

如果一颗轴子星和一颗中子星合并,天文学家可能无法用现有的观测设备来分辨出两者之间的区别。为了发现可能存在的轴子星,天文学家需要依靠伴随引力波的电磁信号来识别异常。

轴子也有可能聚集在一个双黑洞或双中子星系统周围。如果这些死亡恒星合并,“轴子云”的变化将在引力波信号中可见。第三种可能性是,死亡恒星合并可以制造出轴子,这一行为将反映在引力波信号中。

引力波探测器已经证明了它们在证实广义相对论的价值,但它们的作用还不止于此。引力波开启了全新的探测方式,这意味着人类有新的方式来研究宇宙中的重大问题。