物理學家通過研究黑洞自旋以尋找暗物質拖拽黑洞證據

據外媒報導,隨著難以捉摸的暗物質繼續逃避探測,科學家們不得不在越來越陌生的地方進行搜索。在一項新研究中,來自麻省理工學院(MIT)的物理學家們研究了黑洞的自旋以尋找暗物質減慢黑洞自轉的跡象。在宇宙中所有的物質中,我們每天接觸的常規物質只占了15%左右。剩下的絕大多數則都跟我們所說的暗物質有關,暗物質似乎只通過其引力跟正常物質發生相互作用。

物理學家通過研究黑洞自旋以尋找暗物質拖拽黑洞證據

幾十年來,科學家一直未能直接探測到暗物質粒子,但這並非因為缺乏嘗試。地球上的實驗一直在使用大型強子對撞機、「軸子無線電」、由數十億個微小擺組成的陣列、存放奇異液體的巨大地下儲罐或超導腔來尋找這種奇怪的物質。但宇宙似乎也在進行自己的實驗,這使得我們人類能在太空中發現暗物質的特徵。這可能包括星系中由於暗物質粒子衰變而發出的不尋常的X射線,或可能是中子星附近由於暗物質粒子在其強大磁場中轉換成光子而發出的奇怪的光或X射線。

現在,MIT LIGO實驗室的物理學家已經在黑洞周圍的新環境中找到這種神秘物質的跡象。他們的暗物質目標是一種被稱為超輕玻色子的假想粒子。據悉,超輕玻色子的質量非常小,連電子質量的十億分之一都不到。

如果這些超輕玻色子真的存在,量子理論預測一定質量的黑洞會吸引大量玻色子。但它們不會像你想像的那樣簡單地被吸進去–相反,這些粒子會聚集在黑洞周圍,實際上會拖拽它並減慢它的自轉。因此,如果發現某個質量的黑洞比它們「應該」的旋轉速度要慢,這可能是存在暗物質影響的證據。

這項研究的論文主要作者Kwan Yeung Ng指出:「如果玻色子存在,我們會認為適當質量的老黑洞不會有大的自旋,因為玻色子雲會提取大部分自旋。這意味著,如果發現自旋較大的黑洞就可以排除具有一定質量的玻色子的存在。」

這種奇異的效應是一些量子怪異模式的結果。基本上,由於它們的質量非常小,這些粒子不能被描述為在同一時間出現在一個特定的地方。相反,它們是用一種可能位置的波來描述的,粒子越小波就變得越長。在任何給定的時間,它可能出現的地方就越多。

因此,如果超輕玻色子存在於特定質量范圍內,那麼它們的波長將跟具有特定質量的黑洞的半徑相當。由於永遠無法確定這些微小粒子的確切位置,所以在靠近黑洞的時候永遠無法完全確定它「掉進去了」。實際上,星雲在黑洞中進進出出,在此過程中削弱了黑洞的角動量。

為了探測這種暗物質雲是否存在,天文學家研究了45個黑洞雙星的自旋。這些數據來自LIGO和Virgo合作項目對引力波的研究,引力波是黑洞碰撞時產生的。

於是該研究小組計算當這些黑洞跟超輕玻色子在一定質量范圍(1.3×10^-13電子伏到2.7×10^-13電子伏)內相互作用其旋轉速度會有多快。

結果他們發現,兩個黑洞的旋轉速度太快,以至於無法跟超輕玻色子發生任何相互作用。事實上,其中一個正在以接近絕對最高速度旋轉。

研究人員表示,這個結果足以確定排除在這個質量范圍內的超輕玻色子是暗物質。這並不是說暗物質本身不存在–相反,就像在其他實驗中收到的其他null結果一樣,這只是意味著我們正在縮小可能構成暗物質的粒子的范圍。或者也許真的沒有暗物質這種東西。

來源:cnBeta