暗物质被认为构成了宇宙中大多数物质，但它与周围环境的唯一相互作用是通过引力。如果两个碰撞的黑洞在密集的暗物质区域中旋转并合并，穿越时空的引力波可能承载着暗物质的印记。麻省理工学院及欧洲的研究人员开发了一种方法，预测黑洞在暗物质中运动时产生的引力波形状，而不是在空旷的空间中。他们将此技术应用于公开可用的引力波数据，分析了LIGO-Virgo-KAGRA（LVK）网络在前两轮观测中记录的引力波信号。在28个最清晰的信号中，研究团队发现27个来自于黑洞在真空中合并的情况，符合物理学家的预期。但信号GW190728的模式显示出可能的暗物质印记。科学家们强调，他们并未直接探测到暗物质，而是提供了一种新方法，筛选引力波数据以寻找暗物质的线索，供物理学家进一步确认。
“我们知道暗物质就在我们周围，只要它足够密集，我们就能看到其影响，”麻省理工学院物理系的博士后Josu Aurrekoetxea表示。“黑洞提供了一种增强这种密度的机制，我们现在可以通过分析合并时发出的引力波来搜索。”这项研究发表于《物理评论快报》。
暗物质是一种假设的不可见物质，与日常物质不同，它与电磁力没有相互作用。暗物质可以穿过光和磁场等所有形式的能量而不留痕迹。天文学家通过观察重力如何在遥远的星系周围弯曲，推测存在额外的力量来解释这些弯曲现象，这种力量被认为是暗物质，可能占宇宙中85%以上的物质。关于暗物质的本质，科学界仍存在巨大争论。
研究团队开发了一种模型，预测黑洞在暗物质环境中碰撞时产生的引力波形状。他们进行了详细的数值模拟，考虑了不同质量和大小的黑洞，以及它们可能穿越的暗物质环境。通过对LVK的公共数据进行分析，团队寻找与他们模型相符的引力波信号。最终，他们发现信号GW190728可能携带暗物质的印记，尽管统计显著性不足以声称检测到暗物质。
“我们现在有潜力在未来几年内通过LVK探测器收集的数据中发现黑洞周围的暗物质，”共同作者Soumen Roy表示。“这是一个激动人心的时刻，利用引力波探索新物理。”
博主点评： 这项研究不仅为暗物质的探测提供了新思路，还展示了引力波在基础物理研究中的潜力。未来的研究可能会推动我们对宇宙组成的理解，揭示更多暗物质的秘密。利用黑洞作为探测工具，将为暗物质的性质提供前所未有的视角。