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暗物質(zhì)這東西,占了宇宙質(zhì)量的八成多,卻偏偏藏得嚴(yán)實(shí),用望遠(yuǎn)鏡看不著,用粒子探測器也很難抓著。
科學(xué)家們找了快一百年,傳統(tǒng)辦法要么像大海撈針,要么只能間接猜它在哪兒。
這事兒確實(shí)讓人頭疼,就像手里拿著地圖卻找不到目的地,急得團(tuán)團(tuán)轉(zhuǎn)。
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引力波的出現(xiàn),剛好給這道難題提供了新的解題思路。
2015年人類第一次"聽"到黑洞合并的聲音后,天文學(xué)家突然意識到,這宇宙時空的漣漪,說不定能當(dāng)"聽診器",聽聽暗物質(zhì)在宇宙深處的動靜。
EMRI,宇宙中最精密的暗物質(zhì)探針
有一種宇宙現(xiàn)象,最近成了暗物質(zhì)探測的"新網(wǎng)紅",名叫極端質(zhì)量比旋入,簡稱EMRI。
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說白了,就是一個小天體比如恒星級黑洞或者中子星被超大質(zhì)量黑洞的引力抓住,然后一圈圈螺旋往里掉的過程。
這個過程能持續(xù)好幾個月,甚至好幾年,就像花樣滑冰運(yùn)動員慢慢收緊手臂,越轉(zhuǎn)越快。
這個過程中,小天體每轉(zhuǎn)一圈,都會向宇宙發(fā)出引力波。
幾萬圈下來,就能留下一串清晰的引力波信號。
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科學(xué)家要是能把這些信號"錄"下來,就能反過來算出小天體的軌道變化。
本來想,這軌道變化應(yīng)該只和大黑洞的引力有關(guān),后來發(fā)現(xiàn)不是那么回事兒暗物質(zhì)在這兒插了一腳。
星系中心的超大質(zhì)量黑洞周圍,暗物質(zhì)會被引力"擠"成一個高密度的區(qū)域,科學(xué)家叫它"密度尖峰"。
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這些暗物質(zhì)粒子雖然不發(fā)光,但會和小天體發(fā)生微弱的"碰撞",也就是動力學(xué)摩擦。
這種摩擦?xí)屝√祗w的軌道能量慢慢損失,引力波的頻率也就跟著發(fā)生偏移。
這偏移量雖然小,但EMRI信號太精密了,剛好能把這點(diǎn)變化給揪出來。
傳統(tǒng)的天文觀測,靠的是光或者電磁波,可暗物質(zhì)不跟這些玩意兒打交道。
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引力波就不一樣了,它直接來自時空本身的振動,暗物質(zhì)只要影響了時空,就能在引力波里留下痕跡。
這就好比以前只能看舞臺上的表演,現(xiàn)在終于能聽到后臺的動靜了,信息量一下子多了不少。
LISA任務(wù),"聽"到暗物質(zhì)的太空天文臺
要"聽"到EMRI的引力波,地面上的探測器還差點(diǎn)意思。
地球大氣層的干擾,還有地面震動,都會把微弱的信號蓋過去。
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所以科學(xué)家們早就計劃著,把"聽診器"送進(jìn)太空。
這個計劃叫LISA,由歐洲航天局牽頭,預(yù)計2035年發(fā)射升空。
LISA不是單個衛(wèi)星,而是三個,組成一個邊長五百萬公里的等邊三角形,在太空中追著地球繞太陽轉(zhuǎn)。
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三個衛(wèi)星之間用激光測距,只要引力波路過,它們之間的距離就會發(fā)生微小變化,激光就能把這變化測出來。
這技術(shù)精度要求高得嚇人,相當(dāng)于從地球看月球上的一根頭發(fā)絲。
LISA專門盯著低頻引力波,剛好覆蓋EMRI的信號頻段。
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等它上天了,科學(xué)家就能開始"監(jiān)聽"宇宙中那些超大質(zhì)量黑洞周圍的EMRI事件。
到時候,每個EMRI信號都可能藏著暗物質(zhì)的線索比如暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量、相互作用強(qiáng)度,甚至能不能證明暗物質(zhì)到底是不是我們想的那種"冷暗物質(zhì)"。
當(dāng)然了,想從引力波里扒出暗物質(zhì)的信息,沒那么容易。
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小天體本身的自旋、黑洞周圍的氣體環(huán)境,都會干擾信號。
科學(xué)家得像偵探一樣,一點(diǎn)點(diǎn)排除干擾,才能鎖定暗物質(zhì)的"指紋"。
這就需要全世界的天文學(xué)家一起合作,把數(shù)據(jù)模型做得更精細(xì)。
未來的宇宙探測,肯定不是單打獨(dú)斗。
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引力波、電磁波、中微子,各種"信使"一起上陣,才能拼出暗物質(zhì)的完整畫像。
就像破案一樣,目擊者、物證、監(jiān)控錄像,多方面信息湊齊了,真相才容易水落石出。
阿姆斯特丹大學(xué)的羅德里戈·維森特團(tuán)隊,最近在《物理評論快報》上發(fā)了篇論文,把這些想法變成了具體的數(shù)學(xué)模型。
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他們沒有把暗物質(zhì)當(dāng)成一個簡單的背景,而是直接放進(jìn)愛因斯坦的廣義相對論方程里,算出暗物質(zhì)怎么影響時空,又怎么通過引力波表現(xiàn)出來。
這步棋走得挺關(guān)鍵,等于給暗物質(zhì)探測搭了個更靠譜的理論架子。
以前研究暗物質(zhì),要么在地下挖個坑,等著暗物質(zhì)粒子撞上來;要么在加速器里撞粒子,看能不能造出來。
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這些方法不是不行,但都有局限。
引力波這條新路子,算是打開了一扇窗,特別是在宇宙尺度上研究暗物質(zhì)的分布和性質(zhì),優(yōu)勢明顯。
2035年LISA發(fā)射后,要是真能從EMRI信號里找到暗物質(zhì)的證據(jù),那絕對是天文學(xué)的大事件。
說不定我們對宇宙的理解,就得從"看得見的世界",擴(kuò)展到"聽得見的世界"。
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到時候再回頭看,引力波這發(fā)現(xiàn),可就不只是證實(shí)了愛因斯坦的預(yù)言那么簡單了。
宇宙這玩意兒,總是在最極端的地方藏著最深的秘密。
超大質(zhì)量黑洞周圍的EMRI現(xiàn)象,一邊考驗著廣義相對論的極限,一邊又給暗物質(zhì)探測遞了把鑰匙。
這種把難題變成機(jī)遇的事兒,在科學(xué)史上還真不少見。
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現(xiàn)在的我們,就像剛學(xué)會用聽診器的醫(yī)生,對著宇宙這個復(fù)雜的"病人",開始慢慢分辨那些細(xì)微的聲響。
暗物質(zhì)這八百多斤的"大塊頭",藏了這么久,說不定很快就要被引力波"喊"出來了。
到時候,咱們對宇宙的認(rèn)知邊界,又能往外擴(kuò)一大圈。
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