科学家通过研究黑洞自旋以寻找暗物质拖拽黑洞证据

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据国外媒体报道,由于难以捉摸的暗物质继续逃避探测,科学家不得不在越来越陌生的地方进行搜索。在一项新的研究中,麻省理工学院(MIT)的物理学家研究了黑洞的自转,以找到暗物质减慢其自转的证据。在宇宙中所有的物质中,只有我们每天接触的正常物质的15%左右。其余大部分都与我们所说的暗物质有关,暗物质似乎只通过重力与正常物质相互作用。

科学家通过研究黑洞自旋以寻找暗物质拖拽黑洞证据-第1张图片-IT新视野

几十年来,科学家一直无法直接探测暗物质粒子,但这并不是因为缺乏尝试。地球上的实验一直在使用大型强子对撞机“轴子无线电”、数十亿个微小摆的阵列、巨大的地下储罐或超导腔来寻找这种奇怪的物质。但是宇宙似乎在做自己的实验,这使我们能够发现太空中暗物质的特征。这可能包括星系中暗物质粒子衰变所发出的不寻常的x射线,或者由于暗物质粒子在强磁场中转化为光子而在中子星附近发出的奇异光或x射线。

现在,麻省理工学院LIGO实验室的物理学家在黑洞周围的新环境中发现了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。据报道,超轻玻色子的质量非常小,不到电子质量的十亿分之一。

如果这些超轻玻色子真的存在,量子理论预言一定质量的黑洞会吸引大量的玻色子。但它们并不像你想象的那么容易被吸进黑洞——相反,它们聚集在黑洞周围,实际上是在拖拽黑洞,减缓黑洞的旋转。因此,如果发现某一质量的黑洞旋转速度比它们应该的慢,这可能是暗物质影响的证据。

这篇论文的主要作者关洋洋指出:“如果玻色子存在,我们会认为一个质量合适的旧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,如果我们发现有大自旋的黑洞,就可以排除具有一定质量的玻色子。”

这种奇怪的效应是一些量子奇怪模式的结果。基本上,由于它们的质量很小,这些粒子不能被描述为同时出现在某个特定的地方。相反,它们被描述为一个可能位置的波动。粒子越长,子波越长。在任何给定的时间,它能出现的地方就越多。

因此,如果超轻玻色子存在于一定的质量范围内,它们的波长将相当于具有一定质量的黑洞的半径。由于这些微小粒子的确切位置永远无法确定,因此永远无法完全确定它们在接近黑洞时是否“落入”黑洞。事实上,星云在黑洞中进进出出,在这个过程中削弱了黑洞的角动量。

为了探测这种暗物质云的存在,天文学家研究了45个黑洞双星的自旋。这些数据来自LIGO-Virgo的引力波项目,引力波是黑洞碰撞时产生的。

因此研究小组计算了这些黑洞在一定质量范围内(1.3x10^-13ev到2.7x10^-13ev)与超轻玻色子相互作用时的旋转速度。

结果,他们发现这两个黑洞旋转太快,无法与超轻玻色子相互作用。事实上,其中一个正在以接近绝对最大速度旋转。

研究人员说,这些结果足以证实,排除在这个质量范围之外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,就像其他实验中得到的其他结果一样,这只是意味着我们正在缩小可能构成暗物质的粒子范围。或许根本就没有暗物质。

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