阿姆斯特丹大學的科學家開發了一種新方法，利用黑洞的引力波來揭示暗物質的存在並更多地了解其行為。他們的方法依賴於基於愛因斯坦廣義相對論的詳細理論模型。該模型仔細描述了黑洞如何與其周圍環境中的物體相互作用。這包括不直接可見的暗物質。
這項研究由來自阿姆斯特丹大學物理研究所 (IoP) 和 GRAPPA 引力與粒子物理卓越中心的 Rodrigo Vicente、Theophanes K. Karydas 和 Gianfranco Bertone 進行。他們的研究結果發表在雜誌上。 物理審查信– 在這項研究中，該團隊提出了一種先進的方法來計算黑洞周圍的暗物質如何改變系統產生的引力波。
具有極高質量比和長引力信號的靈感
該研究重點關註一種稱為極端質量比呼吸（EMRI）的系統。當單個恆星塌縮形成一個小而緻密的物體（例如黑洞）時，就會發生這種情況。在圍繞一個更大的黑洞的軌道上運動它通常位於星系的中心。隨著時間的推移，小物體將逐漸向內螺旋運動，並在緩慢下降的過程中發射引力波。
即將到來的太空任務包括歐洲航天局的 LISA 太空天線。這些信號計劃於 2035 年發射，預計將在很長一段時間內被觀測到。一些 EMRI 事件可能會被跟踪數月甚至數年。它覆蓋了數十萬到數百萬個單獨的軌道。一旦科學家能夠對這些信號進行高精度建模，獲得的信息將像詳細的“宇宙指紋”一樣，揭示大質量黑洞附近物質的排列方式。這包括暗物質，據信它構成了宇宙中的大部分物質。
為什麼完全相對論模型很重要？
在像 LISA 這樣的天文台開始收集數據之前，研究人員需要提前了解他們應該預期什麼樣的引力波模式以及如何解釋它們。作者表示，到目前為止，許多研究都使用簡單的模型，僅粗略地顯示周圍環境如何影響 EMRI。這些估計並未揭示任何重大的物理影響。
這項新工作通過為各種可能的環境引入第一個完全相對論框架來解決這一限制。這意味著計算完全基於愛因斯坦的引力理論。結果是，該模型沒有使用簡單的牛頓近似，而是可以更準確地描述大質量黑洞周圍的物質如何改變較小物體的軌道並塑造其發射的引力波。
暗物質尖峰及其可檢測的印記
該研究的主要焦點是其周圍可能形成的暗物質密集區域。大黑洞通過將相對論模型與現代引力波形計算相結合，這些濃度通常被稱為“尖峰”或“土丘”。研究人員表明，這種暗物質結構將在未來天文台檢測到的信號中留下清晰且可測量的特徵。
作者將這項研究描述為實現更大科學目標的重要一步。隨著時間的推移，他們希望引力波可以用來繪製暗物質在整個宇宙中的分佈情況。並對其基本性質提供新的見解。
