假想超輕玻色子若存在,重力波將揭開黑洞周圍的暗物質雲

作者 | 發布日期 2021 年 12 月 03 日 13:22 | 分類 天文 Telegram share ! follow us in feedly


過去短短幾年,重力波的證實與偵測大幅改變了天文物理學,為我們提供更多宇宙緻密物體深度訊息,比如黑洞和中子星。現在天文學家想知道,重力波是否能幫忙找出暗物質?理論認為黑洞周遭可能聚集隱形的玻色子暗物質雲、它們會產生另一種類型重力波,未來若儀器可在不同頻率範圍搜索到訊號,或能更加肯定新粒子之存在。

我們能接觸的、看見的所有常規物質,事實上只占宇宙構成 4% 左右,其餘都與無形暗物質和暗能量有關,然而暗物質似乎只透過引力與常規物質相互作用,它們的真身究竟是什麼、可能具有什麼特性、在哪裡可以找到它們以及我們如何檢測它們,都是當今天文學界努力研究的主題。

某些超輕玻色子就是暗物質粒子候選者之一。玻色子(Boson)為基本粒子,光子、希格斯玻色子都屬於此類;而一些模型表明,宇宙可能存在質量極微小的超輕玻色子,比如質量僅 10−6~10−2eV 的軸子(axion),雖然很少與其他物質相互作用,但過去研究曾指出,理論上大量超輕玻色子會堆積在質量夠大的黑洞周圍盤旋,並逐漸拖慢黑洞自旋速度而得以「現形」。

現在澳洲國立大學團隊新研究表示,他們相信黑洞強大的引力場確實捕獲了大量玻色子形成暗物質雲,繞著黑洞盤旋了數百萬且不斷向太空釋放新類型重力波,訊號頻率具體取決於玻色子的質量,少部分受黑洞質量與自旋影響。

重力波探測頻率範圍廣

雖然研究團隊檢查了 LIGO 重力波探測台第 3 次觀測期間收集的數據,未能發現新類型重力波,但並不代表假想粒子不存在,也許只是頻率沒對上而已。更樂觀地想,科學家還未精確算出超輕玻色子質量,但已在逐漸縮小粒子質量範圍,而 LIGO 在特定頻率未能探測到超輕玻色子產生的重力波,也能一步一步限制玻色子雲的參數設定,比如雲的年齡和距離。

重力波訊號強度取決於玻色子雲存在了多久──由於玻色子雲會因釋出重力波而失去能量並縮小,因此較老的玻色子雲訊號更微弱,研究團隊計算出銀河系內基本上不存在年齡小於 1,000 年的玻色子雲;如果玻色子雲年齡長達 1,000 萬年,則超過地球 3,260 光年便檢測不到。

目前 LIGO 可檢測頻率高達 10,000Hz 的重力波事件,其他技術也已開始推動檢測 1,000,000Hz 的更高頻率範圍,待正在升級的 LIGO、Virgo (Advanced LIGO、Advanced Virgo)與 KAGRA 探測器重新上線開工,預期探測到有趣重力波事來源的機會也將增加。

當然,我們也可能走上完全錯誤的方向、也許根本不存在超輕玻色子、也許宇宙的真面目我們至今都未能想像出來。

新論文預印本可至《ArXiv》閱覽。

(首圖來源:pixabay

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