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俄华智库  中国芬笙山人工作站 2021年4月30日于北京

70亿年前神秘信号泄暗物质“天机”

   以下选自《参考消息》2021年4月28日

    一个超过70亿年前产生的引力波信号（迄今为止捕获到的最大引力波信号）已成为当今物理学研究中最具争议和最令人兴奋的现象之一，因为根据现有的宇宙法则和定律，它不该存在。科学家们提出了一个非常大胆但颇有道理的解释：该信号是由两颗透明星体合并产生，而透明星体由一种此前从未观察到的新粒子组成。这种新粒子是一种超轻玻色子，质量是电子的数十亿分之一。从理论上来说，超轻玻色子可能会帮助解开宇宙中最大的谜团之一：暗物质是什么？

一  “透明星体”从何而来

    【西班牙《国家报》网站2月24日报道】题：隐形星体发出的信号或许可以解释宇宙暗物质的秘密(记者努尼奥·多明格斯)

    一个超过70亿年前产生的引力波信号(迄今为止捕获到的最大引力波信号)已成为当今物理学研究中最具争议和最令人兴奋的现象之一，因为根据现有的宇宙法则和定律，它不该存在。

    2019年5月，两个能够捕获这种爱因斯坦预言的时空微小波动的精密探测器“看到”了这一信号。该信号仅持续了1／10秒。

    一个由数百名科学家组成的国际团队利用两个探测器——美国激光干涉仪引力波观测台(LIG0)探测器和欧洲“处女座”(Virgo)探测器——对这一引力波信号进行了长达数月的分析。去年9月，他们得出一个保守甚至有些无聊的结论：这一引力波信号来自两个黑洞的碰撞。一些物理学家将这一结论称为符合预期的“香草味冰激凌”。

    但这里有一个问题。根据现有的天体物理学定律，这些黑洞中至少有一个是不存在的。

    许多物理学家脑海中浮现出一些更大胆和更令人兴奋的解释，因为他们认为从中能发现全新的现象和未知的粒子，就像一种奇特而出人意料的“怪味冰激凌”。

    现在，LIGO和Virgo项目的部分科学家发表了一项新研究结果。在这项新研究中，他们提出一个非常大胆但颇有道理的解释：该信号并不是由两个黑洞碰撞产生的，而是由两颗透明星体合并产生，而透明星体由一种此前从未观测到的新粒子组成。这种新粒子是一种超轻玻色子，质量是电子的数十亿分之一。

    从理论上来说，超轻玻色子可能会帮助解开宇宙中最大的谜团之一; 暗物质是什么?天体物理学证据表明，暗物质约占宇宙总质量的27％，而已知物质仅占5％。

    这些超轻玻色子星体在上世纪50年代后期被理论化，并在随后的十年中被研究人员更详细地描述。它们是由不发光的粒子组成的星体，与黑洞类似。但是，它们并不是宇宙中的“大黑点”,而是对我们的眼睛来说完全透明的星体。到目前为止，由于缺乏解释其形成和运行的必要技术和模型，我们尚无法验证其存在。

    当2019年5月捕捉到这个不该存在的引力波信号时，西班牙天体物理学家何塞·安东尼奥·丰特的团队已经花费了数年时间来研究能够预测超轻玻色子星体行为的数学模型。物理学家们称这些星体为“黑洞的模仿对象”，因为它们与黑洞具有一些共同的特性。

    西班牙加利西亚高能物理研究所研究员胡安·卡尔德隆·布斯蒂略介绍说：“两者之间的最大区别是，一颗超轻玻色子星体没有事件视界，因此它永远不会把我们吞没，会有一条逃逸的路径。”布斯蒂略同时也是LIGO项目的团队成员。布斯蒂略负责对引力波信号新研究中的统计学分析工作。该研究发表在著名的《物理评论快报》周刊上。

    布斯蒂略的同事、来自葡萄牙里斯本大学的尼古拉斯·桑奇斯一瓜尔对这些超轻玻色子星体和黑洞进行了数学模拟。该研究团队比较分析了哪种模型更能解释捕获的信号，是黑洞还是超轻玻色子星体。

    布斯蒂略说，结果表明，由超轻玻色子星体合并产生的可能性大约是由黑洞碰撞产生的8倍。

    这是一个令人兴奋的初步结果，但仍限于非常初步的程度。用统计学的术语来说，这些科学家所言属实的概率约为2西格玛。但是，要在物理学中标记一个发现，需要5西格玛。

    这些物理学家提供的最有趣证据是，他们已经计算出了形成这些星体的超轻玻色子的质量。他们的计算结果符合关于这些粒子的理论预测。

二  观测黑洞手段巧妙

    【美国《科学目报》网站4月14日报道】题：快速旋转的黑洞可缩小寻找暗物质粒子的范围

    超轻玻色子是一种假想粒子，据预测，其质量不到电子的十亿分之一。它与周围物质几乎没有相互作用，因而迄今难以发现以证实其存在。

    如果超轻玻色子确实存在，诸如轴子这样的超轻玻色子很可能是以暗物质的形式存在。暗物质就是那种占宇宙物质85％、神秘而无影无踪的东西。

    现在，美国激光干涉仪引力波观测台(LIGO)的物理学家们利用黑洞寻找超轻玻色子。根据量子理论预测，超轻玻色子云将放慢黑洞的旋转速度。如果这种粒子确实存在，那么所有一定质量的黑洞都应相对放慢旋转速度。

    但物理学家发现，之前探测到的两个黑洞旋转速度太快，以至于不可能受到任何超轻玻色子的影响。由于其巨大的旋转速度，这些黑洞的存在排除了超轻玻色子存在的可能性。

    研究团队的发现发表在《物理评论快报》周刊上，进一步缩小了寻找轴子及其他超轻玻色子的范围。

    这也是首次利用LIGO和“处女座”(Virgo)探测器观测到的黑洞旋转速度以及引力波数据来寻找暗物质。

    麻省理工学院物理学副教授、论文作者之一萨尔瓦托雷·维塔尔说：“玻色子有不同种类，我们已发现了一种。可能还有其他各类玻色子，我们可以把这种分析应用到LIGO和Virgo未来多年不断提供的数据集之中。”

    论文作者包括麻省理工学院卡弗里天体物理与空间研究所的研究生吴光扬(音)，以及荷兰乌得勒支大学与香港中文大学的研究人员。

    科学家在超轻物质的巨大范围内寻找超轻玻色子。他们迄今利用实验室实验和天体物理观测，一小片一小片排除这种可能物质的广阔空间。

    本世纪初以来，物理学家就提出，由于超辐射效应，黑洞可能是另一种探测超轻玻色子的手段。

    如果存在超轻玻色子。那么它们可能会在适当的条件下与黑洞相互作用。量子理论假设，在极小尺度下，粒子难以用经典物理学加以描述。甚至不可能作为单独的物体。这种尺度叫康普顿波长，与粒子质量成反比。

    由于超轻玻色子极轻，所以其波长应该巨大。就一定质量范围的玻色子而言，它们的波长可以与黑洞的大小不相上下。这种情形下，超辐射将迅速形成。然后，超轻玻色子将在黑洞周围的真空形成，数量足以让这种极微粒子共同对黑洞形成拉力，放慢其旋转速度。

    维塔尔说：“如果你跳上一个旋转木马，然后跳下来，就会偷走木马的能量。这些玻色子对黑洞的作用也是这样。”

    科学家认为，这种玻色子带来的降速现象可能发生在数千年间，以天体物理的尺度看，这算相对快速了。

    吴说：“如果玻色子确实存在，我们认为适当质量的原有黑洞不可能有巨大的旋转速度，因为玻色子云会吸走大部分能量。这暗示我们，发现旋转速度巨快的黑洞，就可以排除某种质量的玻色子的存在。”

三  目标已经脱颖而出

    吴与维塔尔将这种推理应用至LIGO和Virgo的黑洞测量中。LIGO和Virgo在倾听”引力波，也就是黑洞合并(被称为“双黑洞”)等遥远巨变引发的震动。

    研究小组仔细探究了LIGO和Virgo迄今发现的所有45个双黑洞。这些黑洞的质量在太阳的10倍至70倍之间，如果它们与超轻玻色子相互作用，这些粒子的质量也介于一定电子伏特区间。

    如果黑洞因相应质量范围的超轻玻色子而放慢了旋转速度，其转速应为多少?研究小组为每个黑洞做出计算。根据他们的分析，两个黑洞脱颖而出：GWl90412和GWl90517。正如物体都有最大速度一样(光速), 黑洞的旋转速度也有极限。GWl90517以接近极限的速度旋转。研究人员计算发现，如果存在超轻玻色子。GWl90517的旋转速度将放慢一半。

    维塔尔说：“如果存在，这些粒子会吸走大量角动龟。它们真的是吸血鬼。”

    研究人员也考虑到产生黑洞巨速旋转、与此同时超轻玻色子仍然存在的其他可能情形。比如，黑洞可能因玻色子放慢转速，但是随后会通过与周围吸积盘的相互作用而再次加快旋转速度。

    吴说：“计算一下，你就会发现黑洞要想达到我们今天看到的旋转速度，会需要非常长的时间。所以，完全可以忽视这种加速效应。”

    换言之，黑洞的高速旋转不可能在超轻玻色子也存在的情况下发生。考虑到这两个黑洞的质量和高速旋转，研究人员可以排除一定质量的超轻玻色子的存在。

    维塔尔说：“我们基本上排除了这种质量范围的某种玻色子的存在。这项研究还表明探测引力波可以助寻基本粒子。”