暗物質可能拖慢黑洞自旋速度,新研究縮小超輕玻色子質量範圍

作者 | 發布日期 2021 年 04 月 20 日 18:19 | 分類 天文 Telegram share ! follow us in feedly


雖然暗物質不可見,但麻省理工學院團隊認為或許黑洞周圍存在理論上的超輕玻色子,並且它們會拖慢黑洞自旋速度而得以「現形」。但由於我們不清楚玻色子到底小到什麼程度,最近麻省理工學院團隊分析了雙黑洞與超輕玻色子互動結果,並從中排除特定質量範圍的玻色子。

超輕玻色子目前仍是假想粒子,其質量比電子質量的十億分之一還要小,而研究呼聲非常高的軸子就是超輕玻色子的一種,由於它們是如此小,以至於它們幾乎不會與宇宙中任何事物發生相互作用——但也許某些黑洞除外。

量子理論預測,超輕玻色子的工作方式與經典物理學中的大尺度物體不同,它應該具有與質量成反比的康普頓波長(Compton wavelength),也就是具有極長波長,甚至可與具一定質量的黑洞半徑相當。

麻省理工學院團隊新研究便認為,具有一定質量的黑洞或許會吸引大量超輕玻色子堆積在周圍,並且玻色子實際上會拖曳黑洞,從而導致黑洞旋轉速度降低,如果我們發現質量不小的黑洞其轉速比預期速度還要慢,則可能是暗物質暗中作祟證據。

為了確認黑洞周圍是否存在這種暗物質,天文學家研究了從 LIGO 和 Virgo 重力波數據中發現的 45 個雙黑洞繞旋案例,計算出這些黑洞(質量介於太陽質量的 10~70 倍)如果與超輕玻色子相互作用,則玻色子質量應屆於 1×10-13eV~2×10-11eV 之間,且每個黑洞旋轉的速度應該是多少。

但分析結果發現 GW190412 和 GW190517 這兩個雙黑洞的轉速太快,事實上 GW190517 甚至正以接近光速的速度旋轉,如果周遭存在超輕玻色子,則它們的自旋速度應該會被向下拖慢 2 倍。考慮到這 2 對黑洞的質量與高自旋速度,研究人員能夠排除質量介於 1.3×10-13eV~2.7×10-13eV 之間的超輕玻色子存在。

這篇研究並不是指責超輕玻色子只是個幻想粒子,而是強調該粒子在這個質量範圍內並不存在,換句話說我們正在繼續縮小可能搜捕暗物質粒子的範圍。新論文發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)。

(首圖來源:麻省理工學院

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