黑洞 "超辐射 "现象可能有助于寻找暗物质


艺术家描绘的黑洞

图片来源：ajijchan，Getty图片社

最新的研究挑战了我们认为的关于发生在黑洞周围的情况的认知。

我们曾经把黑洞当作一个超级吸尘器，有能力将周围所有的东西都吸入其中并且再也无法逃脱。这其中也包括光，因此“黑”被作为它的名字。但是在过去的50年间，科学家们发现黑洞在以一种有趣且复杂的方式影响着它周边的环境。其中一种会导致一种叫做超辐射的过程，在这个过程中，黑洞会将附近的任何光线提升到高能量水平。


为了让超辐射起作用，黑洞必须旋转。介于黑洞诞生于死亡的超质量恒星，而这些恒星已经在旋转了，所以让黑洞旋转并不是什么问题。当黑洞旋转时，它们会拖拽周围的时空，在事件视界周围形成一个区域--任何东西都无法逃脱的点--被称作能层。在能层里，静止是不可能的。如果你掉进一个黑洞，在到达事件视界之前，即使你非常努力地保持不动，也会被拉入黑洞的轨道。


越靠近黑洞，能层的旋转效应越强，而这就是产生超辐射现象的原因。一些光子--光的基础单位--靠近黑洞的时候会被能层困住，并且当他们越靠近事件视界，它们围绕着黑洞旋转的速度会越来越快。每旋转一圈，它们就会获得更多的能量。有一些光子会迎来它们的终结，穿过事件视界，消失不见。但有些光子会从其他光子上散射并逃逸，在此过程中会被提升到难以置信的高能量。


超辐射过程并不稳定。在相当长的时间跨度上，足够多的光子会积攒足够多的能量直到围绕着整个黑洞并成为巨大的“炸弹”，被困住的光子会在一次巨大的爆炸中四散开来。但是这一过程实在是过于慢了，以至于我们目前并没有在宇宙中观测到它实现。

超辐射可以超越光子；它可以发生在任何一种玻色子上，包括自然界的所有力载体和希格斯玻色子--也许还有暗物质。


暗物质是宇宙中所有物质的最终形态，占每个星系和星系团总质量的 80% 以上。天文学家掌握了大量暗物质存在的间接证据，但尚未确定其身份。

暗光子

有一种可能性是暗物质是一种新的超轻粒子并且与玻色子有很多相似的特征，但是它不与宇宙中的所有常规粒子发生反应。这些“暗光子”轻的不可思议，却绝对会充斥整个宇宙。但是因为它们不会和正常的物质发生反应，所以直接观测到它们是极其困难的事情。


除非它们聚集在黑洞的周围。超辐射会像作用在正常光子身上一样也出现在暗光子身上。当暗光子聚集在黑洞周围时，它们会被困住并聚集到高能量状态，这时它们有可能转化为其他粒子（甚至是转化为正常光子）。

几十年里，科学家们一直在研究这种奇怪的现象，尤其因为超辐射的过程提供了一个有潜力的通道去直接观测暗物质，如果这些暗物质是由超轻玻色子组成的话（假如暗物质玻色子太重，它们就不会以同样的方式聚集在黑洞周边，并且超辐射的把戏就不再奏效了）。


事实上，天文学家已经利用对黑洞的实际观测来给宇宙中暗光子的数量设限。我们尚未观测到黑洞周围的超光度，这意味着暗光子可能并不存在。但发表在预印本数据库 arXiv 上的一篇新研究论文对这些结果提出了质疑，称情况可能要复杂得多。

大多数有关暗物质的研究都假设它是由一种新的独立例子组成的。但是，并没有理由说暗物质的世界不如正常物质世界一样复杂和丰富。与以往的研究不同的是，这个新的研究假设存在两种不同“物种”的暗物质：一种类似于暗光子（玻色子），另一种更像是新的粒子（如暗物质版的电子）。


研究人员发现，不同种类的暗物质之间的相互作用会扰乱超光度过程，从而阻止暗光子获得推动力并喷射出去。相反，当它们绕着黑洞旋转时，可能会不断撞击其他种类的暗物质粒子，在此过程中消耗它们的能量。


这意味着我们不能从表面价值来看待观测到的极限。天文学家没有看到超辐照度并不一定说明暗光子不存在。相反，这可能意味着暗物质的物理学原理比我们想象的要复杂得多。

BY:Paul Sutter

FY:zekki

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