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当黑洞、引力波和暗物质被联系起来

在过去的几年中,物理学有两件振奋人心的发现:

  1. 2012年,科学家发现了所谓的上帝粒子——希格斯玻色子,这是科学家苦苦追寻了近50年的一个粒子。希格斯玻色子的发现填补了粒子物理学标准模型的最后一块拼图。

  2. 2016年,爱因斯坦100年前就被预言存在的引力波终于在激光干涉引力波天文台(LIGO)中被探测到了。从此打开了天文学的一个新时代——引力波天文学时代


而在今年的4月5日-14日,科学家将利用一个地球大小的望远镜来拍摄黑洞的第一张照片。这绝对将是今年度最大的科学新闻之一。


尽管这些都是激动人心的时刻,但物理学家一直翘首以盼着“新物理”的出现。


在上面,我提到了三个关键词:粒子、引力波和黑洞。当然,下面我要提到的粒子并不是希格斯玻色子,而是一种未被发现的假想粒子,被称作轴子(Axion)。一群理论物理学家以一种令人欣喜的方式将这三者联系在了一起。他们认为,如果轴子存在,并且有正确的质量,那么一个旋转的黑洞就会产生一团由轴子构成的巨大粒子云,接着就会产生类似去年探测到的引力波。如果这个想法正确,那么LIGO就可以间接的证明轴子的存在。


△ 最新计算表明,一个旋转的黑洞(白色)会产生巨大的轴子云(蓝色),紧接着它们应该会产生可被探测到的引力波。(图片来源:Masha Baryakhtar)


当一颗大质量恒星演化到生命的末期时,它会在自身的引力下坍缩至一个点,形成黑洞。黑洞有着非常强大的引力场,在那个点的特定距离下——即黑洞的“事件视界”——引力强大到即使是光也无法逃脱。当两个黑洞相互对撞时,它们会产生引力波——时空结构的涟漪。2016年,LIGO首次被探测到黑洞合并时辐射出的引力波。


△ 黑洞在合并前慢慢旋进在一起,并辐射出引力波。(图片来源: ESA–C.Carreau)


那么轴子呢?这里需要注意的是,不像黑洞和引力波,我们并不确定轴子是否存在,在过去的四十年中我们一直在寻找它们的踪迹。轴子是在1970年代的时候,为了解释在夸克和胶子(构成质子和中子的粒子)理论中的数学对称性而被提出来的。轴子是暗物质(占据了宇宙物质总量的85%)的候选者之一。粒子物理学家一直在实验中试图利用磁场将它们转换成光子以确认它们的存在。


加拿大圆周率理论物理研究所的物理学家Asimina Arvanitaki和Masha Baryakhtar领导的一个团队在《物理学评论快报》发表了一篇论文提出,如果轴子的质量正如我们所预料的,那么它们可以在旋转的黑洞周围形成巨大的粒子云。


你可以把他们的想法想象成在原子模型中所发生的事情:一个黑洞就像是原子核,位于一个巨大、假想的“引力原子”中心。轴子位于这个原子核的轨道上,就像是电子围绕着普通原子运动一样。正如在原子中所发生的一样,轴子在黑洞周围跳来跳去以获得或失去能量,就像电子一样。但是,电子是通过电磁力作用的,因此它们会释放电磁波,或光波。轴子会通过引力作用,因此会释放引力波。


如果轴子的质量在正确的范围内,那么在黑洞轨道上的轴子会经历一个称为“超辐射”的过程。超辐射已经在许多实验中都被观测到,它会导致在特定类型的激光中辐射出大量的光子。如果轴子游荡在黑洞视界很近的地方,但没有越界,那么黑洞的旋转会增加轴子的能量。由于轴子是一个量子粒子,并且有些性质像光子,那么能量的增加就会制造更多的轴子。这些增加的轴子会在黑洞边经历同样的过程,最后会产生高达10的80次方个轴子围绕着黑洞,这个数字跟整个宇宙中的原子数量一样。


要使这个过程能够发生有一个关键的条件需要达到。一个量子粒子(比如轴子)会表现出波的行为,粒子的质量约轻,波长越长。为了使超辐射能够发生,轴子的波长必须跟黑洞的宽度一样大。因此轴子的质量就必须非常的小:大约是现在实验所能够探测到的质量范围的1/10,000,000和1/10,000之间。


同时,这些轴子也不会乱七八糟的出现,而是会组团在一起,形成一个巨大的粒子云,就像原子中的电子云。在云内,轴子之间的相遇湮灭会产生传递引力的引力子——另一个假想粒子。引力子之于引力波,正如光子之于光。Baryakhtar和她的团队认为,这些引力子会向宇宙中传递连续的波,其频率由轴子的质量决定。


随着LIGO的灵敏度的不断提高,研究人员预计LIGO在一年内就可以探测到上千个这样的来源。虽然追踪到这些连续的信号要比探测到合并黑洞的爆发难的多,但只要探测到一些相同频率的来源就将是轴子的确凿证据。


△ 轴子(A)会是众多暗物质候选者中的黑马吗?(图片来源:Artwork by Sandbox Studio, Chicago)

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