引力波能被用於探測暗物質嗎？

1916年，愛因斯坦正式發表了廣義相對論，這個引力理論認為引力是時空結構發生彎曲的結果。該理論預言，有質量的物體在時空結構中加速運動會產生漣漪，這就是引力波。

時空的漣漪：引力波

理論上，任何與引力相互作用的物體都能產生引力波。但只有最具高能的宇宙事件才會產生足夠強大的引力波，從而讓我們能夠探測到。在2015年，激光干涉儀引力波天文台（LIGO）第一次直接探測到了引力波，其來源是遙遠星系中的兩個黑洞碰撞。此後，天文學家又相繼多次直接探測到引力波，並在2017年首次探測到兩顆中子星合併產生的引力波。引力波不但有力證實了廣義相對論，而且還有望被用於暗物質探測。

難覓其蹤的暗物質

當年天文學家在研究星系的旋轉曲線時發現，星系中可能存在著大量有別於普通物質的不可見東西，它們產生的引力能讓星繫結構保持完整，否則星系必然會解體。據估計，宇宙中的暗物質是普通物質的五倍，它們的引力效應在宇宙中隨處可見。

天文學家認為，既然物質可以產生引力波，那麼，能夠產生引力的暗物質也能產生引力波。雖然天文學家還沒有確切地看到由暗物質引起的引力波，但他們從理論中推導出許多可能發生這種情況的方式。

原初黑洞

暗物質的引力效應已經被觀測到，所以暗物質一定在那裡，或者至少一定有什麼東西導致了這些引力效應。但到目前為止，暗物質粒子還沒有被直接探測到，所以天文學家至今不清楚暗物質到底是什麼樣子的。

一種觀點是，一些暗物質實際上可能是原初黑洞。

在密度極高的早期宇宙中，密度波動可能會引發一些物質發生強烈引力坍縮形成黑洞，這是宇宙中可能存在的最早黑洞，它們被稱為原初黑洞。如果這種黑洞真的存在，它們將會對早期宇宙的條件產生深遠的影響。

通過利用引力波來了解黑洞的性質，LIGO有望能夠證明或排除這個暗物質理論。與普通黑洞不同，原初黑洞沒有形成所需的最小質量閾值，它們的質量最低可能只有一億分之一千克。相比之下，最小的恆星級黑洞的質量下限為3倍太陽質量。如果LIGO探測到一個質量小於太陽的黑洞，那它有可能是一個原初黑洞。

不過，即便原初黑洞確實存在，它們是否能解釋宇宙中所有的暗物質也是值得懷疑的。儘管如此，找到原初黑洞的證據將有助於我們對暗物質和宇宙起源的理解。

暗物質天體

暗物質似乎只通過引力與普通物質相互作用，但基於已知粒子相互作用的方式，天文學家認為暗物質也可能與自身相互作用。如果是這樣的話，暗物質粒子可能會結合在一起形成像中子星一樣緻密的「暗天體」。

由於恆星的質量巨大，它們會強力壓縮周圍的時空結構。如果宇宙中充斥著緻密的暗天體，那麼，至少有一部分會被困在普通物質恆星中。

一顆普通的恆星和一個暗天體只會通過引力相互作用，從而使兩者共存而不會引起太多的麻煩。然而，諸如超新星爆發等破壞恆星結構的過程，都可能在產生的中子星和被困的暗天體之間產生一種時空擾動。如果這樣的事件發生在我們的星系，它將產生可探測到的引力波。

天文學家最近分析了LIGO的數據，結果並沒有在地球、木星或太陽內部發現特定質量範圍的緻密暗天體。對此，只能把目光放在那些質量更大的恆星上，還需對引力波開展進一步的研究。

軸子星

暗物質粒子的另一個候選者是軸子，最初是在量子色動力學的研究中被提出來。天文學家認為，軸子有可能結合成類似中子星的軸子星，它們由極其緻密的軸子物質組成。

如果一顆軸子星和一顆中子星合併，天文學家可能無法用現有的觀測設備來分辨出兩者之間的區別。為了發現可能存在的軸子星，天文學家需要依靠伴隨引力波的電磁信號來識別異常。

軸子也有可能聚集在一個雙黑洞或雙中子星系統周圍。如果這些死亡恆星合併，「軸子云」的變化將在引力波信號中可見。第三種可能性是，死亡恆星合併可以製造出軸子，這一行為將反映在引力波信號中。

引力波探測器已經證明了它們在證實廣義相對論的價值，但它們的作用還不止於此。引力波開啟了全新的探測方式，這意味著人類有新的方式來研究宇宙中的重大問題。

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