黑洞合併可能會通過引力波揭示出新的粒子

在最近發表於Physical Review Letters的一篇論文中，來自阿姆斯特丹和哥本哈根的物理學家提出，對合並黑洞對的詳細觀測可以揭示潛在新粒子的信息。旋轉黑洞周圍會形成超輕粒子云。 阿姆斯特丹大學和哈佛大學的一組物理學家現在證明，這些雲會在雙黑洞發出的引力波上留下特徵性印記， 這項研究以哥本哈根大學科學家在過去六年中的一系列最新發現爲基礎。

如果存在新的超輕粒子，黑洞就會被這種粒子云包圍，其行爲與原子中的電子雲驚人地相似。 當另一個重物螺旋進入並最終與黑洞合併時，引力原子就會電離併發射出粒子，就像光照到金屬上時發射出電子一樣。

兩個黑洞合併時發出的引力波攜帶着關於兩個黑洞軌道形狀和演變的詳細信息。 來自阿姆斯特丹大學（University of Amsterdam）的物理學家喬瓦尼-瑪麗亞-托馬塞利（Giovanni Maria Tomaselli）和詹弗蘭科-貝爾託內（Gianfranco Bertone）與阿姆斯特丹大學前碩士生托馬斯-斯皮克斯馬（Thomas Spieksma）（現就讀於哥本哈根尼爾斯玻爾研究所）共同進行的一項新研究表明，對這些信息進行仔細分析可能會揭示自然界中新粒子的存在。

能夠探測到新粒子的機制叫做黑洞超輻射。 當黑洞的旋轉速度足夠快時，它可以將自己的部分質量轉移到周圍的粒子"雲"中。 由於與質子周圍的電子雲相似，黑洞-雲系統被稱爲"引力原子"。 由於只有當粒子比迄今爲止在實驗中測得的粒子輕得多時，超光度纔會有效，因此這一過程爲探測被稱爲超輕玻色子的新粒子的存在提供了獨特的機會，而這些粒子的存在可能會解決天體物理學、宇宙學和粒子物理學中的一些難題。

在過去六年裡，弗吉尼亞大學的科學家們在一系列有影響力的論文中對存在超輕玻色子云的雙黑洞的軌道演化進行了研究。 發現的一個重要新現象是共振躍遷，即玻色子云從一種狀態"跳躍"到另一種狀態，類似於普通原子中的電子在軌道間跳躍。

另一種與普通原子行爲類似的新現象是電離，即部分粒子云被拋射出去。 這兩種效應都會在發射的引力波上留下特徵印記，但這些印記的細節取決於粒子云的狀態--迄今爲止尚不清楚。 爲了填補這些剩餘的細節，新的研究結合了之前的所有結果，並跟蹤了該系統從雙黑洞形成到黑洞合併的歷史。

主要結論極大地提高了我們對雙引力原子的理解。 研究人員發現，這種系統的演化可能有兩種結果，兩種結果都同樣有趣。 如果黑洞和雲最初的旋轉方向相反，那麼雲就會以最初由超光度產生的狀態存活下來，並通過電離作用變得可以探測到，電離作用會在引力波上留下清晰的特徵。 在所有其他情況下，共振轉換會完全摧毀雲，雙星軌道會獲得非常具體的偏心率和傾角值，這可以從引力波信號中測量出來。

因此，這一新結果爲尋找新粒子提供了一種新穎而可靠的搜索策略，一種情況是通過探測引力波波形中的電離效應，另一種情況是通過觀測具有預測偏心率和傾角值的異常過剩系統。 對於這兩種情況，即將進行的詳細引力波觀測將揭示有關是否存在新的超輕粒子這一問題的非常有趣的信息。

研究小組證明，這一過程可能會極大地改變這種雙星系統的演化過程，大大縮短雙星系統相互合併所需的時間。 此外，引力原子的電離在雙黑洞之間非常特定的距離上會增強，這導致我們從這種合併中探測到的引力波具有尖銳的特徵。 未來的引力波干涉儀--類似於 LIGO 和 Virgo 探測器的機器--可以觀測到這些效應。 發現引力原子的預測特徵將爲新的超輕粒子的存在提供獨特的證據。

編譯自/SciTechDaily