作者|刘永坤本文转载自案例科学期刊《宇宙中的旋转木马——利用黑洞寻找暗物质》
空荡荡的游乐园里，旋转木马转得飞快。突然，无中生有，一群孩子跳上了木马。从旋转木马上获得高速后，它们集体跳下，一哄而散，只剩下速度骤降、旋转缓慢的木马。这个看似荒诞的场景，是对宇宙中随时可能发生的事情的理论预测。旋转木马是什么意思？凭空出现的孩子代表谁？
图//pixabay在生活的周围，我们可以感觉到(看到，摸到)某种东西的存在。因为构成我们周围世界的粒子几乎都是通过电磁力相互作用的。但在浩瀚的宇宙中，这种物质只占总量的15%，剩下85%的物质，我们摸不到，也看不到，所以称之为“黑暗”物质。通过天文观测证据，科学家推测宇宙中一定存在着巨量的暗物质，它们提供的引力将使星系不至于分崩离析。所以暗物质是“我们知道它应该存在，却不知道它是什么”的东西，是最尖端的物理学研究都在试图理解的重要课题。目前，有各种各样的物理模型试图描述暗物质的真实面目，其中一种模型预测了一种假设的粒子：“极轻玻色子[1]”。
印度物理学家——萨特延德拉纳特玻色，他的量子物理研究为爱因斯坦的凝聚理论提供了基础；玻色子是以他的名字命名的。(图/维基百科)
暗物质的可能真面目——极轻玻色子
在基本粒子中，电子的质量已经比较轻了。质量只有电子十亿倍左右的极轻玻色子被称为“极轻”，与其他理论模型预言的大质量暗物质候选体不同。因为它们几乎不与周围的物质相互作用，所以到目前为止，科学家还无法确认这种粒子是否存在。如果它们存在，它们很可能就是暗物质的真实面目。
面对这种未知，科学家如何寻找暗物质？策略之一是“排除法”。想象一下，有一天我们回家，发现手机不见了。理论上手机可能出现的地方有无数个，但我们会通过回忆和亲友的描述来限定手机可能出现的范围，避免大海捞针的窘境，大大增加找到的可能性。
根据理论估计，极轻玻色子的质量范围可能会落在10-33-10-6电子伏特这样一个巨大的范围内。目前科学家正在尝试使用各种方法，有的是通过精心设计的实验地毯式搜索特定的质量范围，有的是试图通过天文观测数据限定可能的质量范围。在《物理评论快讯》年4月的一篇论文[2]中，麻省理工学院-LIGO实验室的科学家利用“黑洞”来寻找这种极轻的粒子。这个概念听起来很不可思议。黑洞的质量至少是电子的两倍，比非常轻的玻色子大至少70个数量级。相比之下，一个成年人的质量只比太阳差30个数量级左右。这样一个超巨型天体与微观世界中的基本粒子有怎样的关系？先说量子论预言的神奇现象：“超辐射”。
麻省理工学院-激光干涉引力波天文台(LIGO)。(图/LIGO)
超辐射与黑洞自旋速度
量子理论告诉我们，在非常小的尺度下，经典理论将失效，我们不能再把粒子当作单个粒子。这个尺度叫做康普顿波长，与粒子的质量成反比。质量极小的极轻玻色子对应着非常大的康普顿波长。对于一定质量的玻色子，康普顿波长将与黑洞的大小相似。满足这个条件，就会发生超辐射：黑洞附近的强引力场从真空中产生大量玻色子，并向外辐射。这些玻色子会带走黑洞的能量并减缓其旋转。根据科学家的估计，这种减速可以持续数千年，这显著降低了黑洞的自旋速度。
(Photo/pixabay)通过分析LIGO探测器信号可以知道黑洞的自旋速度。LIGO探测器主要探测黑洞和中子星相互环绕并合并发出的微弱重力波信号(关于重力波探测器的更详细介绍，请参考案例：《爱因斯坦预言成真：首次探测到重力波信号》及相关系列文章)。研究小组分析了45组质量为太阳10-70倍的黑洞。应该与之相互作用的玻色子的质量在电子伏特之间。
其中两个黑洞被发现以非常高的速度旋转。如果这个质量范围内的玻色子确实存在，那么这些黑洞的速度应该会减慢到一半以下。因此，这两个高速黑洞的存在，暗示着它们之间没有相互作用。
的极轻玻色子。那有没有可能黑洞的确被减速，但存在其他加速机制使黑洞又重新被加速？例如藉由吸入大量吸积盘[2]物质，获得能量及动量？研究团队也对此进行了仔细的估算，发现各种重新加速的机制，皆要耗费极长时间才能加速到现在的速度，这种可能性微乎其微。因此，这两个高转速黑洞的存在，基本上可以排除了特定範围的极轻玻色子质量範围。
这个实验协助缩小了搜寻极轻玻色子的质量範围，也是首个利用黑洞重力波资讯寻找暗物质的尝试，可以说是一个重力波实验与粒子物理很棒的跨界合作！
注解
- 在量子力学中，粒子可被分为「费米子」、「玻色子」，两者具有截然不同的性质。若以比喻的说法，费米子较为孤僻，不喜欢大量群聚；玻色子则恰恰相反。
- 在黑洞周围，受黑洞强大重力吸引的物质所形成的圆盘状结构。
内容来源网络，如有侵权，联系删除，本文地址：https://www.230890.com/zhan/188346.html
内容来源网络，如有侵权，联系删除，本文地址：https://www.230890.com/zhan/188346.html