站长之家 - 业界 2022-05-04 14:30

研究人员开始利用引力波探测暗物质的性质

现代宇宙学中最大的困惑之一是暗物质的存在,它构成了宇宙中的大部分物质。一个国际科学家团队最近的研究利用引力波来探测暗物质的性质。这项研究最近发表在《天体物理学杂志通讯》上。一些天文观测已经确定了暗物质的存在,它只通过引力与常规物质发生作用。

暗物质不发出任何光,因此逃避了直接的天文观测。银河系,包括我们自己的银河系,都被暗物质的光环所包围,其大小比可见的银河系延伸得更远。

粒子物理学的标准模型描述了构成所有正常物质的所有基本粒子。标准模型没有描述的粒子可能存在于宇宙中,并可能构成暗物质。在过去的几十年里,一些大型实验一直试图探测这种难以捉摸的粒子,但没有成功。

另一种可能性是,暗物质由大量的大质量和紧凑的物体组成,如原始黑洞。这种黑洞与天文学家通常观察到的黑洞不同,后者是由大质量恒星死亡产生的。原始黑洞形成于宇宙早期,可能存在于各种质量的黑洞中。它们可能像小行星一样轻,也可能重达数万亿太阳质量。

然而,天文学家还没有对原始黑洞进行结论性的探测。另外,各种天文观测也制约了原始黑洞的丰度。例如,这种黑洞可以弯曲来自遥远恒星的光线;这种现象被称为引力微透镜。到目前为止,尽管科学家们进行了广泛的搜索,但仍未成功观测到由这类黑洞产生的微光现象。这意味着比太阳轻得多的黑洞,会引起星光的微透射。而这是很罕见的,即使它们存在,它们也只占暗物质的很小一部分。尽管如此,其他一些质量的黑洞很有可能对暗物质有所贡献。

引力波的微透镜作为暗物质的一个新探测器

最近对引力波的观测为天文学家提供了一种观察宇宙的新方法。引力波是时空中以光速传播的涟漪。位于美国和意大利的LIGO和Virgo观测站,在过去几年中观测到了大约一百个引力波信号。

根据爱因斯坦的理论,引力波也会被源头和观察者之间的大质量物体弯曲。如果相当一部分暗物质是以黑洞的形式存在,它们应该在观测到的信号中引起微透镜效应。微光效应将以科学家可以精确计算的方式扭曲引力波。然而,国际团队无法在LIGO和Virgo观测到的信号中观察到任何这种扭曲。

目前的工作是利用在引力波信号中没有观测到这种透镜效应来评估暗物质中有多少部分可能是黑洞的形式。引起引力波微透镜的黑洞比引起光的微透镜的黑洞质量要大得多。科学家们得出结论,只有不到一半的暗物质可能是质量范围在100到100000太阳质量的黑洞形式。这只是一个上限;实际的部分可能要小得多。

未来的观测思路

目前从引力波透镜观测中得到的约束与从其他天文学测量中得到的约束相比并不那么严格。其他的观测如分析宇宙微波背景的结论告诉我们这种大质量的原始黑洞可能只贡献了暗物质的一小部分。然而,有两个理由可以让科学家对这种方法感到兴奋。首先,每一次观测都伴随着自己的误差;对于科学家来说,使用不同的观测和实验得出相同的结论是非常重要的。第二,在不久的将来,引力波观测将能够提供更好的约束。

在接下来的几年里,人类建设的LIGO和Virgo,以及即将到来的KAGRA和LIGO-India等探测器将观测到成千上万的引力波信号。如果科学家们在这些引力波信号中没有观察到任何微透镜的特征,他们将能够得出结论,暗物质中只有非常小的一部分可能是以这种重黑洞的形式存在。另一方面,如果相当一部分的引力波信号含有透镜的特征,这将是备受追捧的原始黑洞的有力证据。无论是哪种方式,引力波的微透镜都为探测暗物质的性质提供了一种独特的方式。

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