暗物質被認為構成了宇宙中的大部分物質，但科學家尚未直接觀察到它。與普通物質不同，暗物質不與光或電磁力相互作用，並且是檢測重力存在的唯一已知方法。現在，研究人員認為，碰撞的黑洞可能提供一種新的方法來尋找這種看不見的物質的線索。
麻省理工學院和幾個歐洲機構的物理學家開發了一種方法來識別隱藏在重力波中的暗物質的可能跡象。當黑洞等大質量物體碰撞和合併時，就會產生這些空間和時間的漣漪。如果這些黑洞在碰撞前穿過密集的暗物質雲，那麼產生的重力波可能會攜帶這種相互作用的微妙痕跡。
該團隊使用 LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) 的公開數據對其進行了測試，LIGO-Virgo-KAGRA 是一個國際重力波天文台網絡，用於監測黑洞合併和其他遙遠的宇宙事件。
尋找重力波來尋找暗物質的蹤跡
研究人員分析了 LVK 前三次觀察行走期間收集的訊號。他們重點關注了迄今為止檢測到的 28 個最亮的引力波事件。
在其中 27 個事件中，訊號與科學家對黑洞在真空中合併的預期相符。但一個名為 GW190728 的訊號有所不同。根據研究小組的分析，這種重力波的模式可能包含與暗物質相互作用的證據。
研究人員強調，這並不是暗物質的確認發現。相反，這項新技術提供了一種掃描重力波資料以尋找有希望的訊號的方法，然後可以進一步研究這些訊號。
「我們知道暗物質就在我們周圍。它的密度必須足夠大才能看到它的影響，」麻省理工學院物理系博士後 Josu Aurrekoetxea 說。 “黑洞提供了一種增強這種密度的機制，我們現在可以通過分析它們碰撞時發出的引力波來尋找它。”
研究結果發表在《物理評論快報》。先前公司與比利時魯汶天主教大學（UCLouvain）的LVK成員Soumen Roy、阿姆斯特丹大學的Rodrigo Vicente、倫敦瑪麗女王大學的Katy Clough和牛津大學的Pedro Ferreira共同進行了這項研究。
黑洞如何放大暗物質
暗物質仍然是物理學中最大的謎團之一。科學家推論它的存在是因為星系周圍的引力似乎比可見物質本身所能解釋的還要強。對重力透鏡效應（光線在星系周圍彎曲）的觀測表明，另一個看不見的質量源正在影響太空。
根據目前的估計，暗物質可能佔宇宙物質的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稱為“光標量”的非常輕的粒子。理論表明，這些粒子的行為就像黑洞附近的協調波一樣。
科學家認為，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，大大增加其密度。這個過程被稱為超級輻射，就像將奶油攪打成黃油一樣。
如果密度夠高，暗物質可以改變黑洞碰撞產生的重力波。
預測時空中暗物質的痕跡
為了研究這種可能性，研究人員對各種條件下的黑洞合併進行了詳細的模擬。它們有不同的因素，包括黑洞的質量和大小、周圍暗物質的數量以及物質的密度。
利用這些模擬，研究小組預測如果黑洞合併到密集暗物質而不是真空的環境中，重力波將如何出現。
該模型還展示了這些波在到達地球探測器之前傳播數百萬光年時會如何變化。
研究人員隨後將他們的預測與 LVK 的實際觀察結果進行了比較。在分析的 28 個最強訊號中，GW190728 是唯一與暗物質情境相符的事件。
GW190728於2019年7月28日首次被偵測到。先前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，這些黑洞可能已經合併在密集的暗物質雲中。
一種有前途的暗物質研究新工具
Aurrekoetxea 說：「這一點的統計顯著性不足以宣稱檢測到了暗物質，更多的檢查應該由獨立的團體進行。」「我們認為重要的是要指出的是，如果沒有像我們這樣的波形模型，我們可以檢測暗物質環境中的黑洞合併，但係統地將它們分類為在真空中發生。」
研究人員表示，越來越多的重力波觀測可能會使這種方法在未來幾年變得越來越有用。
「我們現在有可能在 LVK 探測器繼續收集數據的同時發現黑洞周圍的暗物質，」負責這項工作數據分析的合著者 Soumen Roy 說。 “這是利用重力波尋找新物理學的激動人心的時刻。”
開發訊號分析模型的合著者羅德里戈·維森特補充道：“利用黑洞來尋找暗物質將是非常棒的。” “我們將能夠以比以往更小的規模研究暗物質。”
這項研究得到了美國國家科學基金會和麻省理工學院理論物理中心萊因韋伯研究所的部分支持。
