物理学家开发出一种利用引力波探测器研究暗物质的新方法，有可能揭示暗物质粒子对中子星的影响。这种方法提供了对暗物质的新见解，超出了目前探测器的探测范围，为未来利用先进的引力波天文台发现暗物质铺平了道路。

暗物质是我们了解宇宙的基础，但它的确切性质仍然是个谜。揭示暗物质的特性是宇宙学和粒子物理学的一个重要目标。

塔塔基础研究所、印度科学研究所和加州大学伯克利分校的物理学家们通力合作，推出了一种研究暗物质的新方法。这种方法利用引力波搜索来探测暗物质对中子星的潜在影响。

TIFR 的研究生、发表在《物理评论快报》上的这项研究的第一作者苏拉格纳-巴塔查里亚解释说--银河系中的暗物质粒子由于其非引力相互作用，会在中子星中积聚。积累的粒子会形成一个致密的内核，在暗物质粒子很重并且没有反粒子对应物的情况下，这个内核会坍缩成一个微小的黑洞。

在暗物质粒子质量的较大允许范围内，初始种子黑洞会吞噬其宿主中子星，并将其转化为中子星质量的黑洞。至关重要的是，恒星演化理论预言，当中子星的质量超过太阳质量的大约 2.5 倍时，黑洞就会形成，正如托尔曼-奥本海默-沃尔科夫极限（Tolman-Oppenheimer-Volkoff limit）所编码的那样，但在这里，暗物质导致的低质量黑洞通常比最大中子星还要小。

作为暗物质探测器的引力波探测器 资料来源：Basudeb Dasgupta

这项工作的共同负责人阿努帕姆-雷（Anupam Ray）指出："对于其他实验尚未排除的暗物质参数来说，银河系密集区域中的旧双中子星系统应该已经演化成了双黑洞系统。如果我们没有看到任何异常的低质量合并，那就对暗物质提出了新的限制"。

将暗物质与黑洞联系起来

耐人寻味的是，LIGO探测到的一些事件，如GW190814和GW190425，似乎至少涉及一个低质量的紧凑天体。根据霍金和泽尔多维奇在 20 世纪 60 年代的开创性工作，一个诱人的建议是，低质量黑洞可能起源于原始，即在宇宙早期由极其罕见但巨大的密度波动产生。

出于这些考虑，LIGO 合作组织对低质量黑洞进行了有针对性的搜索，并设定了限制。Bhattacharya 及其合作者的这项研究表明，LIGO 未探测到低质量并合的现象同样对粒子暗物质施加了严格的限制。

这项研究提出的约束条件具有重要价值，因为它们探索的参数空间远远超出了目前地面暗物质探测器（如 XENON1T、PANDA、LUX-ZEPLIN）的探测范围，尤其是对重暗物质粒子而言。

引力波观测的未来

低质量黑洞的合并预计不仅可以通过现有的引力波探测器（如 LIGO、VIRGO 和 KAGRA）探测到，还可以通过即将出现的探测器（如 Advanced LIGO、Cosmic Explorer 和爱因斯坦望远镜）探测到。通过考虑当前引力波实验的升级计划，并考虑到其灵敏度和观测时间的增加，该研究预测了未来十年内可能获得的约束条件。

研究特别表明，引力波观测可以探测重暗物质极其微弱的相互作用，远远低于所谓的"中微子底限"，在这个底限下，传统的暗物质探测器必须与天体物理中微子背景作斗争。

相反，如果未来发现了奇异的低质量黑洞，这可能会为暗物质的性质提供宝贵的线索。作者乐观地指出："引力波探测器已被证明有助于直接探测黑洞和爱因斯坦预言的引力波，最终可能也会成为检验暗物质理论的有力工具"。

参考文献： "Sulagna Bhattacharya、Basudeb Dasgupta、Ranjan Laha 和 Anupam Ray 于 2023 年 8 月 29 日在《物理评论快报》上发表的文章：《LIGO 能否探测到非消亡暗物质》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.091401

编译来源：ScitechDaily