研究团队提出新模型，利用引力波识别黑洞周围暗物质，为探索暗物质性质提供新的观测路径。

麻省理工学院物理学家 Josu Aurrekoetxea 及其合作者近日开发出一套理论模型，用于判断黑洞并合事件是否发生在致密暗物质云中。研究称，这一方法有望在现有引力波观测数据中筛查出潜在的暗物质信号。

暗物质与黑洞的相互作用

暗物质被认为是一种不可见的假设性物质，与电磁力不发生相互作用，不会与光、磁场或电磁谱上的其他形式能量产生可观测效应。当前关于暗物质存在的证据主要来自其引力效应。

天文学家通过观测遥远星系周围的引力弯曲和透镜效应，推断仅靠星系自身的引力不足以解释观测结果，因而提出必须存在额外的引力来源。物理学界普遍认为，这一额外引力可能来自暗物质，其质量或占宇宙总物质含量的 85% 以上。但暗物质的具体组成仍存在较大争议，不同理论在粒子质量和性质方面差异显著。

在众多理论方案中，一类被提出的暗物质候选为“轻标量粒子”，其质量远低于电子。理论预言，这类暗物质在靠近黑洞时不仅以粒子形式存在，还会表现为协调的波动。当这种暗物质波与快速旋转的黑洞相互作用时，黑洞的自旋能量可能被转移给暗物质波，导致其被放大，这一过程被称为“超辐射”。

研究指出，超辐射可使轻标量暗物质在黑洞周围达到极高密度，类似于将奶油不断搅打直至变成黄油。在足够高的密度下，这种在其他观测手段下几乎不可见的暗物质，有望在黑洞并合产生的引力波信号中留下可识别的特征。

新模型比较“真空并合”和“暗物质并合”

激光干涉引力波天文台（LIGO）等设施此前已多次探测到由双黑洞并合产生的引力波。这些信号记录的是两个黑洞在最终合并为一个更大、快速旋转黑洞前后的时空涟漪。

为回答暗物质是否会在这些信号中留下“印记”的问题，Aurrekoetxea 团队构建了一个理论模型，对比了两种情形下的引力波波形：一是黑洞在真空环境中并合，二是黑洞在致密暗物质云中并合。模型给出了在存在轻标量暗物质时，引力波信号可能出现的偏离情况。

Aurrekoetxea 表示，只要暗物质在黑洞周围的密度足够高，其效应就有可能在引力波数据中体现出来，而黑洞本身提供了一种放大这种密度的机制。通过对比模型预测与实际观测信号，研究人员尝试在现有数据中寻找暗物质相关线索。

在 LVK 数据中寻找“异常”信号

研究团队检索了 LIGO-Virgo-KAGRA（LVK）全球引力波观测网络前三次观测运行中记录的信号，这些信号主要来自双黑洞并合及其他遥远致密天体事件。在筛选出的 28 个信噪比较高、波形较为清晰的事件中，研究人员发现，其中 27 个事件的波形与真空环境下的黑洞并合模型相符。

另一项编号为 GW190728 的事件则表现出与新模型中“暗物质环境并合”情形相符的某些特征。研究团队指出，该信号的模式显示出可能存在暗物质印记的迹象。

不过，参与研究的科学家强调，目前的结果并不构成对暗物质的直接探测。Aurrekoetxea 表示，现阶段的统计显著性不足以宣称发现暗物质，仍需独立研究团队利用类似或改进的模型对相关事件进行复核和验证。

研究人员认为，这一工作主要意义在于提供了一种新的分析框架，使得物理学家可以在引力波数据中系统性地搜索暗物质线索，并在发现可疑信号后，结合其他观测和实验手段进行后续确认。

为未来引力波观测提供新思路

比利时皇家天文台及鲁汶天主教大学研究员 Soumen Roy 表示，随着 LVK 探测器在未来几年持续积累更多引力波事件，新方法有望用于系统性地寻找黑洞周围可能存在的暗物质结构。

阿姆斯特丹大学研究员 Rodrigo Vicente 指出，如果这一方法在更多事件中得到应用并得到进一步验证，将有可能探测到比以往研究所涉及尺度更小的暗物质候选。

相关研究成果已发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters），论文题为《LIGO-Virgo-KAGRA 中黑洞双星周围的标量场》（Scalar Fields Around Binary Black Holes in LIGO-Virgo-KAGRA），作者包括 Soumen Roy 等，文献编号为 Phys. Rev. Lett. 136, 191402，DOI：10.1103/fv9z-zkxx。