引力波或能揭开黑洞周围暗物质的神秘面纱

这项研究由阿姆斯特丹大学物理研究所（IoP）和阿姆斯特丹引力与天体粒子物理卓越中心（GRAPPA）的罗德里戈·维森特、西奥法尼斯·K·卡里达斯和吉安弗兰科·贝尔托内共同开展，其成果发表在《物理评论快报》期刊上。研究团队在该研究中提出了一种更先进的方法，用于计算黑洞周围暗物质如何微妙地改变这些系统产生的引力波。极端质量比旋近系统与长期引力信号：该研究聚焦于一类被称为极端质量比旋近（EMRI）的系统。这类系统中，一个小型致密天体——例如由单颗恒星坍缩形成的黑洞——会围绕一个通常位于星系中心的大质量黑洞运行。随着时间推移，这个小天体逐渐向内螺旋运动，在缓慢下落过程中持续发射引力波。包括欧洲航天局计划于2035年发射的LISA空间天线在内的未来空间任务，有望对这些信号进行长期观测。有些EMRI事件可能会被追踪数月甚至数年，涵盖数十万至数百万次独立轨道运行。当科学家能够高精度模拟这些信号时，所得数据就像详细的‘宇宙指纹’，能揭示大质量黑洞附近物质的分布情况，其中包括被认为构成宇宙大部分物质的暗物质。为何完全相对论模型至关重要：在LISA等观测台开始收集数据之前，研究人员必须预先了解预期会出现何种引力波模式以及如何解读它们。此前，许多研究使用简化模型，仅粗略描述周围环境对EMRI的影响。作者指出，这些近似忽略了重要的物理效应。这项新研究通过引入首个适用于多种可能环境的完全相对论框架，解决了这一局限。这意味着计算完全基于爱因斯坦的引力理论，而非简化的牛顿近似。因此，该模型能更准确地描述大质量黑洞周围物质如何改变小天体的轨道，并重塑所发射的引力波。暗物质尖峰与可探测印记：研究的一个重点是大质量黑洞周围可能形成的暗物质密集区域，这些密集区域常被称为‘尖峰’或‘团块’。通过将他们的相对论模型融入现代引力波形计算，研究人员证明，此类暗物质结构将在未来观测台探测到的信号中留下独特且可测量的印记。作者称这项研究是迈向更大科学目标的关键一步。他们希望，随着时间推移，引力波能被用于绘制暗物质在整个宇宙中的分布，并为理解其基本性质提供新见解。