宇宙中的旋轉木馬——利用黑洞尋找暗物質

空無一人的遊樂園中，旋轉木馬快速的旋轉著。突然，憑空出現一群小孩跳上木馬，從旋轉木馬獲得高速後，又集體跳下，一哄而散，只留下轉速驟降，緩慢旋轉的木馬…這看似荒誕的場景，卻是理論預測可能在宇宙中隨時發生的事。其中旋轉木馬指的是什麼？憑空出現的孩子們又代表了誰？

撰文／劉詠鯤

在生活的周遭，我們能夠感受到（看到、摸到）某個東西存在。是因為構成我們周遭世界的粒子，幾乎都會透過電磁力互相作用。但是在廣闊的宇宙中，這樣的物質只佔總數的15%，剩下85%物質，我們摸不到、看不到，因此被稱為「暗」物質。科學家透過天文觀測證據，推測在宇宙中必須存在龐大數量的暗物質，它們提供的重力，使各個星系不至於分崩離析。因此，暗物質是種「我們知道它應該要存在，但又不知道它是什麼」的東西，是當下最前沿的物理學研究在嘗試明白的重要議題。關於暗物質的真面目，目前有各種物理模型嘗試描述，其中一模型預測了一種假想粒子：「極輕玻色子[1]」。

●尋找極輕玻色子

在基本粒子中，電子的質量已經算是較輕的。而極輕玻色子，它的質量大約只有電子質量的10億分之一，因此稱它為「極輕」，和其他理論模型預測的大質量暗物質候選人區隔。由於他們幾乎不跟周圍的物質發生交互作用，因此到目前為止，科學家尚無法確認這種粒子究竟存不存在。如果存在，那它們很有可能就是暗物質的真面目。

面對這種未知，科學家們是如何尋找暗物質的呢？其中一種策略是「排除法」。想像我們有天回家時發現手機不見了，理論上來說，手機可能出現的地方有無數個，但我們會透過回憶、親朋好友的描述，來限縮手機可能出現的範圍，如此就能避免海底撈針的窘境，大大增加了找到的可能性。

根據理論推估，極輕玻色子的質量範圍可能落在10^-33-10^-6電子伏特這麼龐大的範圍之中。科學家目前正嘗試用各種方法，有的經由設計精密的實驗對特定質量範圍進行地毯式搜索，有的透過天文觀測數據嘗試去限縮可能的質量範圍。在《物理評論快訊》4月的一篇論文中[2]，麻省理工學院-雷射干涉引力波天文台（LIGO）實驗室的科學家，利用「黑洞」來搜尋這種極輕粒子。這種概念聽起來十分不可思議，黑洞的質量至少是電子的倍，比極輕玻色子的質量至少大了70個數量級，作為對比，一個成年人和太陽質量大約只差了30個數量級。如此一個超級巨型的天體，是如何與微觀世界的基本粒子扯上關係的呢？這要提到量子理論預測的神奇現象：「超輻射（Superradiance）」。

●超輻射

量子理論告訴我們，在非常小的尺度下，古典理論將會失效，我們不再能將粒子視為一個單一質點。這個尺度被稱為康普頓波長（Compton Wavelength），它和粒子的質量成反比。質量極小的極輕玻色子，所對應的康普頓波長則非常大。對於特定質量的玻色子，其康普頓波長會和黑洞的尺寸差不多。當這個條件滿足，超輻射便會發生：黑洞附近強大的重力場，從真空中產生數量龐大的玻色子向外輻射出。這些玻色子，會將黑洞的能量帶走，使其自旋減慢。根據科學家的估計，這個減速作用可以持續數千年，使黑洞的自旋速度明顯減慢。

黑洞的自旋速度，可以透過分析LIGO偵測器訊號得知。LIGO偵測器主要偵測黑洞、中子星互相環繞、合併所放出的微弱重力波訊號（關於重力波偵測器的更多詳細介紹，可參考CASE：「愛因斯坦預測成真：首次偵測到重力波訊號」及相關系列文章）。研究團隊分析了45組黑洞互繞事件，這些黑洞具有10-70倍太陽質量。這對應到和它們發生交互作用的玻色子質量介於電子伏特。其中有兩個黑洞，被發現以非常高的轉速在旋轉著。若是這個質量範圍的玻色子確實存在，那這些黑洞速度應該被減速至一半以下。因此，這兩個高轉速黑洞的存在，暗示著沒有與其發生交互作用的極輕玻色子。那有沒有可能黑洞的確被減速，但存在其他加速機制使黑洞又重新被加速？例如藉由吸入大量吸積盤[2]物質，獲得能量及動量？研究團隊也對此進行了仔細的估算，發現各種重新加速的機制，皆要耗費極長時間才能加速到現在的速度，這種可能性微乎其微。因此，這兩個高轉速黑洞的存在，基本上可以排除了特定範圍的極輕玻色子質量範圍。

這個實驗協助縮小了搜尋極輕玻色子的質量範圍，也是首個利用黑洞重力波資訊尋找暗物質的嘗試，可以說是一個重力波實驗與粒子物理很棒的跨界合作！

註解：

[1] 在量子力學中，粒子可被分為「費米子」、「玻色子」，兩者具有截然不同的性質。若以比喻的說法，費米子較為孤僻，不喜歡大量群聚；玻色子則恰恰相反。
[2] 在黑洞周圍，受黑洞強大重力吸引的物質所形成的圓盤狀結構。

參考資料:

[1]Fast-spinning black holes narrow the search for dark matter particles
[2]K. Y. Ng et al., Constraints on Ultralight Scalar Bosons within Black Hole Spin Measurements from the LIGO-Virgo GWTC-2, Phys. Rev. Lett. 126, 151102. 2021