能否用黑洞的陰影，探測到暗物質？物理學家：我已開發出這個公式

2020-08-28 科學之美

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魯德大學的一位物理學家開發了一個公式：~根號下3MΔM用於評估暗物質對黑洞陰影大小的影響。事實證明，只有當這種假想形式的物質在星系中心黑洞周圍的密度異常高時，這種效應才會顯著。如果不是這樣，那麼利用黑洞的陰影就不太可能探測到暗物質，其研究發表在《物理快報B》期刊上。2019年4月，事件視界望遠鏡首次獲得位於M87星系中心超大質量黑洞陰影的圖像。為了拍攝這張照片，天文學家必須結合全球各地的八個天文臺。

圖像沒有足夠的解析度來清晰地定義中心黑洞的幾何形狀，但研究人員希望在未來獲得更高的圖像質量。確定其陰影的形狀將能讓天文學家測試各種版本的引力理論，並可能找到一座將量子力學和廣義相對論相結合的「橋梁」。魯德大學引力與宇宙學教育與科學研究所副教授Roman Konoplya想知道：

佔宇宙所有物質約85%的假設暗物質，可以對黑洞陰影形狀和半徑產生可見的影響，黑洞是由於這種物質超強引力場中光子軌跡的曲率而出現的黑斑。這位宇宙學家獲得了一個公式，該公式可以根據陰影周圍暗物質的量來確定陰影半徑的變化。魯德大學宇宙學家檢查了一個由暗物質暈包圍的非旋轉黑洞簡單球形模型。然後，通過考慮暗物質情況下的空間度量方程，發展了測量黑洞陰影半徑的一般公式。

方程的解取決於光子球和暗物質的散射殼層：暈的相對位置。光子球體是光子繞黑洞軌道的最小半徑。這個軌道中的光子不能再離開洞附近，但還沒有落入洞中。對於這樣的相互空間排列，可以有三個選項。首先，暗物質的分布方式是光子球體位於暗物質層和事件視界之間。在這種情況下，對於觀察者來說，黑洞陰影的大小不會改變，將無法通過陰影形狀來檢測暗物質的存在。第二種情況（當暗物質的暈比光子球更接近視界時）是不可能的，因為這一區域的所有物質都將不可避免地被黑洞吸收。

第三種是最有趣的：光子球沉浸在暗物質的光暈中。在這種情況下，陰影半徑將取決於暗物質層的密度及其質量：密度越小，質量越高，陰影的半徑就越大。然而，魯德大學宇宙學家進行的計算表明，要想讓外部觀察者注意到黑洞陰影半徑的變化，就需要在中心黑洞周圍有異常高濃度的暗物質。研究人員得出的結論是：暗物質對陰影半徑的影響可能難以察覺。

為了使黑洞的幾何形狀發生如此大的變形，以至於從對陰影的觀察中可以看到，暗物質應該集中在黑洞附近。在銀河系中，據估計，大約有1000億個太陽質量的暗物質。然而，科學家認為暗物質不僅分布在星系的中心，而且分布在整個星系暈中。為了影響黑洞的陰影，所有這些巨大的暗物質質量必須集中在中心區域，大約佔其總體積的百萬分之一。這一否定的結果，意味著現代天文學家將不能使用黑洞作為暗物質的「探測器」，這對從事黑洞研究的天體物理學家來說極其重要。

暗物質是一種假想的物質形式，根據現代估計，暗物質約佔宇宙物質的85%，其密度約佔宇宙物質密度的25%。與普通重子物質不同，暗物質不發射電磁輻射，也不直接與之相互作用。因此，儘管做出了種種努力，天文學家仍然無法獲得它存在的直接證據。但是，如果一個黑洞周圍異常高濃度的暗物質由於某種原因被證明是可能的，天文學家將需要考慮模型，同時也要考慮黑洞的旋轉及其周圍暗物質的影響。

研究提出的球形模型，由質量為M的Schwarzschild黑洞和其周圍的質量為Δ的暗物質M組成。在這種情況下，導出了黑洞陰影半徑的一般公式：根號下3MΔM。結果表明，如果暗物質暈的有效半徑是有序的，陰影的變化不可忽略。例如，對於銀河黑的洞來說，要發生這種情況，暗物質必須集中在黑洞附近。對於與Schwarzschild極限的小偏差，陰影大小的主要貢獻是由於光子球下的暗物質，但在較大的偏差下，光子球外的物質不能被忽略。

博科園｜研究/來自：魯德大學

參考期刊《物理快報B》

DOI: 10.1016/j.physletb.2019.05.043

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