黑洞“超辐射”现象可能帮助探求暗物质

By Paul Sutter 

2022/8/18

Science & Astronomy

艺术家的一个黑洞的描绘。 (Image credit: ajijchan via Getty Images)

新的研究挑战我们知道关于围绕黑洞发生的。

我们习惯来认为黑洞为终极真空，能够吸入围绕它们的一切并拒绝再次让任何东西出去。这包括光，因此它们的名字中的“黑”。但在过去的50年里，物理学家已经意识到黑洞以有趣的、复杂的方式影响它们的环境。其中一种方式导致一个叫超辐射的过程，在这个过程中一个黑洞提升任何附近的光进入强烈的能量水平。

要超辐射来工作，黑洞不得不自旋。这不是一个问题，因为黑洞被诞生于大质量恒星的死亡，而这些恒星已经在自旋。随黑洞自旋，它们字面上拖在围绕它们的空时上，围绕事件地平线------超过其没有任何东西能逃脱------创造一个被称为能层的区域。在能层内，静止呆着是不可能的。如果你掉进一个黑洞，在你到达事件地平线之前，即便你真的努力来静止呆着你会被拉入它的轨道。

你越接近黑洞能层的自旋效应就越强，这就是创造超辐射效应的。一些光子------光的基本单位------靠近黑洞经过被陷在能层中，并且随它们越来越接近事件地平线，它们更快更快绕着黑洞疾驰。对每一圈，它们获得越来越多的能量。其中一些光子坠落到它们的厄运，越过事件地平线，永远再不被看到。但一些散射掉的其它光子并逃逸，并在此过程中被提升到令人难以置信的高能量。

超辐射过程是不稳定的。在令人难以置信的长时间尺度上，足够的光子能被提升到足够高的能量以至于黑洞的整个周围环境变成一个巨大的“炸弹”，被陷住的光子在一次巨大的爆发中爆炸掉。但这个过程足够慢的发生以至于我们还没有看到它在宇宙中演出。

超辐射能扩展到光子之外，它能对任何种类的玻色子发生，包括自然界的所有力载体和希格斯玻色子------还有也许是暗物质。

暗物质是宇宙中物质的主宰形式，占每个星系和星系团所有质量的80%以上。天文学家有暗物质的存在环境证据的宝库，但还没有指定它的身份。 

暗光子

一种可能性是暗物质是一种新型的超轻粒子与玻色子共享很多特征但不与宇宙中所有的正常粒子相互作用。这些“暗光子”会是令人难以置信的轻但绝对的淹没这个宇宙。但是因为它们不与正常物质相互作用，它们将是超常难来直接观察。

也就是说，除非它们围绕黑洞收集。超辐射能在暗光子上运行好的就像它在普通光子上一样。当暗光子围绕黑洞收集时，它们能被陷住并提升到高能量，在那里它们可能会转化为其他粒子（甚至只是普通的光子）。

几十年来，物理学家一直在研究这种奇怪的现象，特别是因为超辐射过程如果它是由一些超轻玻色子组成的为暗物质提供一条潜在的直接观测暗物质的途径。（如果暗物质玻色子太重，它们就不会以同样的方式围绕黑洞收集，超辐射技巧会不再起作用）。

真的，天文学家已经利用对黑洞的实际观测来在宇宙中暗光子的数量放上限制。我们还没有观察到围绕黑洞的超辐射，这意味着暗光子可能不存在。但发表在预印本数据库arXiv的一篇新研究论文挑战这些结果，称情况能是远远更复的。

大多数在暗物质上的工作假设它是由一种新型粒子组成的。但是，暗物质的世界不能像正常物质的世界那样复杂和丰富是没有理由的。与之前的工作相比，这项新研究假设存在两种不同的暗物质“物种”：一种类似于暗光子（玻色子），另一种类似于新粒子（如一个电子的暗物质版本）。

研究人员发现了不同种类的暗物质之间的相互作用能弄乱超辐射过程，从而阻止暗光子获得一个提升和爆炸掉。相反，随它们围绕黑洞疾驰，它们可能会继续撞击其他种类的暗物质粒子，在此过程中消弱它们的能量。

这意味着我们不能取在表面上观察到的限制。仅仅因为天文学家已经没有看到超辐射并不一定表明暗光子不存在。相反，这可能意味着暗物质的物理原理比我们想的远更复杂。