黑洞是解開暗物質之謎的關鍵？事件視界望遠鏡開啟新方法探索暗物質

《物理評論快報》（Physical Review Letters）最新研究，黑洞可能是解開暗物質之謎的關鍵。事件視界望遠鏡（EHT）以前所未有的空間解析度捕捉的影像，黑洞周圍陰暗的區域其實能為極高靈敏度的探測器，搜尋構成宇宙總物質約 85% 暗物質。雖然各種偵測方法層出不窮，但這項研究首次提出黑洞成像（black hole imaging）也能當新型暗物質探測方法，且具明顯優勢。事件視界望遠鏡令人驚歎的超大質量黑洞影像，不僅揭示時空幾何結構，也意外開啟一扇探索暗物質的新窗口。

團隊將重心放在EHT觀測M87*和人馬座A*較暗的陰影區域。為了解釋觀測結果，使用複雜電腦模擬物理模型，磁受限吸積盤（Magnetically Arrested Disk，MAD）模型與EHT觀測結果最符合。模型描述穿透吸積盤的強磁場如何同時控制吸積物質的流動，並推動垂直盤面的噴流。MAD模型同時解釋為何黑洞影子區域看起來如此黑暗：大部分電子集中吸積盤，噴流區域粒子相對稀少，形成強烈的亮度對比。然而，暗物質不受強磁場限制，超大質量黑洞的重力能使暗物質在附近劇烈聚集，即使是非常微弱的湮滅訊號，也可能在低背景輻射環境脫穎而出，使黑洞陰影區成為理想的觀測試驗場。

團隊基於MAD模型建立新框架，將暗物質納入黑洞吸積盤模型。以廣義相對論磁流體力學（GRMHD）模擬與粒子傳輸模型，模擬暗物質湮滅產生的電子與正電子的磁場行為。如果暗物質粒子在黑洞附近湮滅，會產生額外電子與正電子，輻射特徵將與普通吸積盤發出的光略有不同。

▲ 超大質量黑洞M87*模擬影像。左為天文物理電漿的輻射，右為暗物質湮滅的潛在輻射。（Source：論文）

團隊創新處在並非僅分析影像總亮度，而是利用黑洞影像的形態結構（morphology）探測暗物質訊號。這種形態學分析的威力遠超以往僅依賴總亮度，成功排除大範圍未探測的參數空間，對暗物質湮滅截面設定新上限，低至約10⁻²⁷cm³/s，以目前EHT數據即可達成。這些限制結果對天文物理的不確定性（如黑洞自轉速率與電漿溫度變化）仍保有穩健性，這些因素過去常導致間接暗物質搜索的巨大誤差。

新方法的真正潛力，將隨事件視界望遠鏡升級計畫而全面實現。未來改進將使望遠鏡的動態範圍提升近版百倍，解析度也將達約一個重力半徑，使科學家深入觀測最黑暗的區域。技術提升可偵測到質量高達約10TeV的暗物質，湮滅截面接近熱遺跡值，是理論上很有潛力的目標。除了亮度分布，EHT偏振數據也開啟新窗口，因偏振能揭示磁場與電漿如何塑造輻射。多波段觀測也成為關鍵，不同輻射機制隨頻率改變，幫助科學家判定光源，區分暗物質訊號與一般輻射。