暗物質被認為佔宇宙中絕大多數的物質，但科學家至今仍無法直接觀測到它。與普通物質不同，暗物質不與光或電磁力交互作用，因此重力是目前唯一已知能偵測其存在的途徑。現在，研究人員認為，黑洞的合併或許能提供一種搜尋這種看不見物質線索的新方法。
麻省理工學院（MIT）和數個歐洲機構的物理學家開發出一種方法，用於識別隱藏在重力波中的暗物質可能跡象。這些時空漣漪是在巨大天體（如黑洞）相互螺旋靠近並合併時產生的。如果這些黑洞在碰撞前穿越了濃密的暗物質雲，產生的重力波就可能攜帶該交互作用的微弱痕跡。
該團隊利用 LIGO-Virgo-KAGRA（LVK）國際重力波天文台網絡所收集的公開數據進行了測試，該網絡監測黑洞合併和其他遙遠的宇宙事件。
在重力波中搜尋暗物質線索
研究人員分析了 LVK 前三個觀測運行期間收集到的訊號。他們聚焦於迄今為止偵測到的 28 個最清晰的重力波事件。
其中 27 個事件的訊號與科學家預期黑洞在空曠空間中合併的結果相符。但一個名為 GW190728 的訊號卻顯得不同。根據團隊的分析，該重力波的模式可能包含與暗物質發生交互作用的證據。
研究人員強調，這並不代表已確認發現暗物質。相反，這項新技術提供了一種掃描重力波數據以尋找有潛力的訊號的方法，這些訊號日後可以進一步調查。
「我們知道暗物質就在我們周圍。它只需要足夠密集，我們就能看到它的影響，」麻省理工學院物理系的博士後研究員 Josu Aurrekoetxea 表示。「黑洞提供了一種機制來增強這種密度，我們現在可以透過分析它們合併時發出的重力波來搜尋它。」
研究結果發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。Aurrekoetxea 與 LVK 成員、比利時天主教魯汶大學（UCLouvain）的 Soumen Roy、阿姆斯特丹大學的 Rodrigo Vicente、倫敦瑪麗女王大學的 Katy Clough 以及牛津大學的 Pedro Ferreira 共同撰寫了這篇論文。
黑洞如何放大暗物質
暗物質仍然是物理學上最大的謎團之一。科學家推斷其存在，是因為星系周圍的重力似乎比可見物質單獨解釋的要強。重力透鏡效應的觀測，即光線繞過星系彎曲，暗示著存在額外的看不見的質量來源影響著空間。
目前的估計顯示，暗物質可能佔宇宙中物質的 85% 以上。然而，研究人員仍然不知道暗物質實際上是由什麼組成的。
一種提出的形式涉及極輕的粒子，稱為「輕標量」粒子。理論認為這些粒子在黑洞附近可以像協調的波一樣表現。
科學家相信，當這些波遇到快速旋轉的黑洞時，黑洞的旋轉能量可以轉移到暗物質波中，顯著增加其密度。這個過程稱為超輻射，被比喻為將鮮奶油打成奶油。
如果密度足夠高，暗物質就可能改變黑洞碰撞時產生的重力波。
預測時空中的暗物質印記
為了探究這種可能性，研究人員在各種不同條件下建立了詳細的黑洞合併模擬。他們改變了包括黑洞的質量和大小、周圍暗物質的量以及該物質的密度等因素。
利用這些模擬，團隊預測了黑洞在濃密的暗物質環境中合併（而非在真空中）時，重力波會如何呈現。
該模型還考慮了這些波在傳播數百萬光年到達地球上的探測器之前是如何變化的。
研究人員隨後將他們的預測與實際的 LVK 觀測進行了比較。在檢查的 28 個最強訊號中，GW190728 是唯一一個與暗物質情境一致的事件。
GW190728 於 2019 年 7 月 28 日首次被偵測到。早期的研究確定該訊號來自兩個黑洞，其總質量約為太陽的 20 倍。根據新的分析，這些黑洞可能在濃密的暗物質雲中合併。
暗物質研究的新工具
「這項研究的統計顯著性不足以聲稱偵測到暗物質，獨立團隊應該進行進一步的檢查，」Aurrekoetxea 說。「我們認為重要的是要強調，如果沒有像我們這樣的波形模型，我們可能會偵測到暗物質環境中的黑洞合併，但系統性地將它們歸類為在真空中發生。」
研究人員表示，隨著重力波觀測數量的增加，這種方法在未來幾年將變得越來越有用。
「隨著 LVK 探測器在未來幾年繼續收集數據，我們現在有潛力在黑洞周圍發現暗物質，」共同作者 Soumen Roy 表示，他領導了該工作的數據分析部分。「這是利用重力波搜尋新物理學的激動人心的時刻。」
「利用黑洞來尋找暗物質將是驚人的，」共同作者 Rodrigo Vicente 補充道，他開發了該訊號的分析模型。「我們將能夠以前所未有的更小尺度探測暗物質。」
該研究部分由美國國家科學基金會和麻省理工學院理論物理中心（Leinweber Institute）資助。