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天体物理学家通过引力波微透镜对致密暗物质进行了限制

导读 暗物质的存在仍然是宇宙最大的谜团之一。虽然研究间接暗示了它的存在,但它不可见的性质使得这种难以捉摸的物质很难被发现,因此它的成分仍

暗物质的存在仍然是宇宙最大的谜团之一。虽然研究间接暗示了它的存在,但它不可见的性质使得这种难以捉摸的物质很难被发现,因此它的成分仍然未知。

暗物质可以由尚未被发现的基本粒子和奇异粒子组成。或者,它可能由许多大质量和致密的物体组成,例如原始黑洞(即在早期宇宙中形成的黑洞)。

在过去的几十年里,世界各地的许多科学家团队一直在使用多种技术、望远镜、探测器和观测数据来寻找暗物质。虽然这些搜索中的大多数都不成功,但它们有助于指导和缩小后续搜索的范围。

班加罗尔塔塔基础研究所国际理论研究中心的研究人员最近对来自引力波微透镜的致密暗物质的比例设定了新的限制。他们的论文发表在《天体物理学杂志快报》上,介绍了一种通过寻找引力波中的微透镜效应来探索暗物质性质的新方法。

“根据爱因斯坦的广义相对论,大质量物体会像普通光学透镜一样弯曲光线,”进行这项研究的研究人员之一ParameswaranAjith告诉Phys.org。“大质量物体,例如位于天文源和观察者之间的黑洞,可以放大源。这种称为引力微透镜的现象已成为天文学家的有力工具。”

尽管在该领域进行了广泛的研究工作,但天文学家迄今仍无法观察到黑洞产生的微透镜效应。这表明会产生光的微透镜的比太阳轻得多的黑洞是罕见的。

“即使这些黑洞存在,它们也可能只构成暗物质的一小部分,”阿吉斯说。“理论预测,引力波也会以同样的方式被透镜化。如果宇宙中存在比太阳质量大得多的原始黑洞,它们就会扭曲引力波。”

2003年,一些理论物理学家准确计算出引力波畸变的性质。大约20年后,首尔国立大学和IBS宇宙理论物理中心的两位科学家SunghoonJung和ChangSubShin表示,LIGO和Virgo的合作没有观察到这些扭曲可能有助于限制比太阳质量大得多的黑洞。

Ajith和他的同事最近的论文从这些以前的作品中汲取了灵感。该团队的工作基于这样一个假设,即如果大部分暗物质实际上是由致密物体组成的,那么这些物体会在LIGO和Virgo探测器周期性探测到的引力波信号中引起微透镜效应。

“早在2018年,我们就与LIGO-Virgo合作的同事合作,在LIGO和Virgo观测到的引力波信号中寻找这种扭曲的特征,但没有发现,”Ajith说。“然而,由于那时LIGO和Virgo只观测到了10个引力波信号,我们之前对发现这种扭曲的期望很低。”

最近,LIGO-VirgoCollaboration宣布了第三次观测的类似空结果。“此外,Ajith和他的同事们独立分析了普林斯顿高级研究所(IAS)的一个小组在LIGO-Virgo数据中发现的引力波。总体而言,他们分析了50多个引力波事件。

虽然研究人员无法在他们分析的任何信号中观察到微透镜失真,但他们的分析使他们能够对致密暗物质设置进一步的限制。换句话说,他们限制了由大质量黑洞组成的暗物质比例。

“到目前为止,我们获得的限制是相当温和的,”Ajith说。“我们只能说,不超过50%的暗物质以大质量黑洞的形式存在,这并不是新信息。但是,在未来几年,LIGO和处女座有望观察到成百上千个引力波信号。这些观测将使我们能够显着改善这些限制。

未来,Ajith和他的同事计划分析LIGO-Virgo探测器记录的所有新的引力波事件。此外,他们希望他们最近的工作能够鼓励其他团队使用引力波的微透镜来研究暗物质的性质。

“作为LIGO-Virgo合作的一部分,我们正在分析LIGO和Virgo在过去三个观测运行期间检测到的所有引力波信号(总共接近100个事件),”Ajith补充说。“这将稍微改善限制条件。但是,我们期待着分析下一次观测运行的数据,预计LIGO和Virgo将观测到数百个引力波信号!”