物理學家發展出一種利用重力波探測器研究暗物質的新方法，有可能揭示暗物質粒子對中子星的影響。這種方法提供了對暗物質的新見解，超出了目前探測器的探測範圍，為未來利用先進的重力波天文台發現暗物質鋪平了道路。

暗物質是我們了解宇宙的基礎，但它的確切性質仍然是個謎。揭示暗物質的特性是宇宙論和粒子物理學的重要目標。

塔塔基礎研究所、印度科學研究所和加州大學柏克萊分校的物理學家通力​​合作，推出了研究暗物質的新方法。這種方法利用重力波搜尋來探測暗物質對中子星的潛在影響。

TIFR 的研究生、發表在《物理評論快報》上的這項研究的第一作者蘇拉格納-巴塔查里亞解釋說–銀河系中的暗物質粒子由於其非引力相互作用，會在中子星中積聚。累積的粒子會形成一個緻密的內核，在暗物質粒子很重且沒有反粒子對應物的情況下，這個內核會坍縮成一個微小的黑洞。

在暗物質粒子質量的較大允許範圍內，初始種子黑洞會吞噬其宿主中子星，並將其轉化為中子星質量的黑洞。至關重要的是，恆星演化理論預言，當中子星的質量超過太陽質量的大約2.5 倍時，黑洞就會形成，正如托爾曼-奧本海默-沃爾科夫極限（Tolman-Oppenheimer-Volkoff limit）所編碼的那樣，但在這裡，暗物質導致的低質量黑洞通常比最大中子星還要小。

作為暗物質探測器的重力波探測器資料來源：Basudeb Dasgupta

這項工作的共同負責人阿努帕姆-雷（Anupam Ray）指出：”對於其他實驗尚未排除的暗物質參數來說，銀河系密集區域中的舊雙中子星系統應該已經演化成了雙黑洞系統。如果我們沒有看到任何異常的低品質合併，那就對暗物質提出了新的限制”。

將暗物質與黑洞連結起來

耐人尋味的是，LIGO偵測到的一些事件，如GW190814和GW190425，似乎至少涉及一個低品質的緊湊天體。根據霍金和澤爾多維奇在20 世紀60 年代的開創性工作，一個誘人的建議是，低質量黑洞可能起源於原始，即在宇宙早期由極其罕見但巨大的密度波動產生。

出於這些考慮，LIGO 合作組織對低質量黑洞進行了有針對性的搜索，並設定了限制。Bhattacharya 及其合作者的這項研究表明，LIGO 未探測到低質量並合的現象同樣對粒子暗物質施加了嚴格的限制。

這項研究提出的約束條件具有重要價值，因為它們所探索的參數空間遠遠超出了目前地面暗物質探測器（如XENON1T、PANDA、LUX-ZEPLIN）的探測範圍，尤其是對重暗物質粒子而言。

重力波觀測的未來

低質量黑洞的合併預計不僅可以透過現有的重力波探測器（如LIGO、VIRGO 和KAGRA）探測到，還可以透過即將出現的探測器（如Advanced LIGO、Cosmic Explorer 和愛因斯坦望遠鏡）來探測到。透過考慮目前重力波實驗的升級計劃，並考慮到其靈敏度和觀測時間的增加，該研究預測了未來十年內可能獲得的約束條件。

研究特別表明，重力波觀測可以探測重暗物質極其微弱的相互作用，遠低於所謂的”中微子底限”，在這個底限下，傳統的暗物質探測器必須與天體物理中微子背景作鬥爭。

相反，如果未來發現了奇怪的低質量黑洞，這可能會為暗物質的性質提供寶貴的線索。作者樂觀地指出：「重力波探測器已被證明有助於直接探測黑洞和愛因斯坦預言的引力波，最終也可能成為檢驗暗物質理論的有力工具」。

參考文獻： “Sulagna Bhattacharya、Basudeb Dasgupta、Ranjan Laha 和Anupam Ray 於2023 年8 月29 日在《物理評論快報》上發表的文章：《LIGO 能否探測到非消亡暗物質》

DOI：10.1103/PhysRevLett.131.091401

編譯來源：ScitechDaily