研究超轻暗物质对引力波信号的影响

Josiah02 · 发表于 2024-10-23 22:56:56

物理评论快报》最近的一项研究探讨了极端质量比螺旋线（EMRI）中超轻暗物质的影响，未来的太空引力波探测器如 LISA（激光干涉空间天线）可以探测到这些影响。
鉴于暗物质的多种可能形式，科学家正在研究多种探测方法。
本研究的重点是了解超轻暗物质在极端质量比螺旋星系 (EMRI) 中的行为。这些系统由一个超大质量黑洞(SMBH) 和一个较小的天体（可能是一颗恒星或另一个黑洞）组成。
当较小的恒星物体螺旋进入超大质量黑洞时，这些系统发射的引力波可能指向这些系统内部和周围超轻暗物质的行为。
Phys.org 采访了这项研究的作者，以便更好地了解他们的工作。
马克斯普朗克引力物理研究所博士后研究员、这项研究的第一作者弗朗西斯科杜克博士在谈到团队研究的动机时说：“了解暗物质的根本性质是现代物理学中尚未解决的主要问题之一。
“我们知道它的存在对于星系的形成和演化到目前的状态来说是必不可少的。但暗粒子只是一种奇特的说法，我们不知道它是什么，只知道它与标准模型中的其他粒子相互作用很弱。”
超轻暗物质
超轻暗物质由质量较小的暗物质粒子组成，这些粒子被建模为标量玻色子，没有内在自旋。这会产生一个标量场，该场在空间中平滑分布，类似于房间内温度的均匀分布。
这种暗物质以不同的形式存在，如模糊暗物质和玻色子云。这些粒子可以比电子轻10 28倍。
模糊暗物质的聚集方式与传统暗物质粒子不同。相反，由于粒子质量较小，它在大尺度上表现出明显的波状行为。在小尺度上，模糊暗物质可以影响星系结构的行为。
另一方面，在旋转的黑洞周围发现了玻色子云。玻色子云利用黑洞的能量并不断增大，导致能量散射而不是被黑洞吸收。这个过程被称为超辐射。
如果这两种理论上的超轻暗物质形式存在于 EMRI 中，它可能会改变这些系统发射的引力波。
相对论方法
虽然早期研究已经探讨了环境对 EMRI 的影响，但这些研究完全依赖于牛顿近似。然而，在极端重力环境中或处理高速（接近光速）时，相对论效应不容忽视。
因此，研究小组决定采用完全相对论的框架来研究 EMRI 周围的环境。他们的目标是利用这个框架来研究 EMRI 中因螺旋引力波和标量场与双星系统相互作用时损耗的能量。
巴塞罗那高能物理研究所的博士后研究员、这项研究的合著者罗德里戈·维森特博士解释了他们的发现：“当较小的黑洞围绕超大质量黑洞运行时，它们会穿过暗物质并产生密集的尾迹，类似于游泳池中游泳者产生的尾迹。这种尾迹对小黑洞施加了额外的引力，称为动态摩擦，使其速度减慢并改变引力波信号。”
超大质量黑洞周围的超轻暗物质云的密度可达黄金的20倍，凸显了超轻暗物质在EMRI和其他类似系统演化中的重大影响。
LISA 和未来的探测
未来的 LISA 等探测器可以在地球上探测到由超轻暗物质引起的引力波信号的变化。
帕拉联邦大学教授、这项研究的共同作者 Caio Macedo 博士解释说：“LISA 预计将于 2035 年由欧洲航天局发射，它将对毫赫兹频率敏感，从而能够高精度地观察 EMRI。LISA 将能够跟踪这些系统数周、数月甚至数年，然后非常适合观察由动态摩擦引起的相移，这种相移会在多个周期内累积。”
然而，如果没有看到这种效应，LISA 的数据可用于对大质量范围内超轻场的存在施加严格限制。
超越暗物质
除了动态摩擦效应外，研究人员还能够研究模糊暗物质和玻色子云的不同行为。
研究人员发现，在超大质量黑洞周围存在模糊暗物质的情况下，标量场耗尽造成的能量损失可能超过引力波发射造成的能量损失，尤其是当较小的物体距离超大质量黑洞较远时。
结合相对论框架还揭示了引力波中的共振行为，这是牛顿模型中不存在的相对论效应。
对于玻色子云，他们发现通过标量耗散的能量对周围环境的特性高度敏感。
通过建立不同物质类型如何影响引力波的更精确模型，这项研究有可能极大地增进我们对引力的理解，为探索暗物质提供重要途径。
谈到未来的工作，研究人员提到扩展他们的框架以解释偏心轨道，这在 EMRI 中更有可能看到。
他们还计划调整相对论框架以适应活跃星系核 (AGN) 盘，据信这些盘中含有大量暗物质。由于暗物质对于大尺度结构的形成至关重要，这项研究可能会更清楚地说明其在宇宙中的作用。

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