黑洞 "超輻射 "現象可能有助于尋找暗物質

藝術家描繪的黑洞

圖片來源：ajijchan，Getty圖片社

最新的研究挑戰了我們認爲的關于發生在黑洞周圍的情況的認知。

我們曾經把黑洞當作一個超級吸塵器，有能力將周圍所有的東西都吸入其中並且再也無法逃脫。這其中也包括光，因此“黑”被作爲它的名字。但是在過去的50年間，科學家們發現黑洞在以一種有趣且複雜的方式影響著它周邊的環境。其中一種會導致一種叫做超輻射的過程，在這個過程中，黑洞會將附近的任何光線提升到高能量水平。

爲了讓超輻射起作用，黑洞必須旋轉。介于黑洞誕生于死亡的超質量恒星，而這些恒星已經在旋轉了，所以讓黑洞旋轉並不是什麽問題。當黑洞旋轉時，它們會拖拽周圍的時空，在事件視界周圍形成一個區域--任何東西都無法逃脫的點--被稱作能層。在能層裏，靜止是不可能的。如果你掉進一個黑洞，在到達事件視界之前，即使你非常努力地保持不動，也會被拉入黑洞的軌道。

越靠近黑洞，能層的旋轉效應越強，而這就是産生超輻射現象的原因。一些光子--光的基礎單位--靠近黑洞的時候會被能層困住，並且當他們越靠近事件視界，它們圍繞著黑洞旋轉的速度會越來越快。每旋轉一圈，它們就會獲得更多的能量。有一些光子會迎來它們的終結，穿過事件視界，消失不見。但有些光子會從其他光子上散射並逃逸，在此過程中會被提升到難以置信的高能量。

超輻射過程並不穩定。在相當長的時間跨度上，足夠多的光子會積攢足夠多的能量直到圍繞著整個黑洞並成爲巨大的“炸彈”，被困住的光子會在一次巨大的爆炸中四散開來。但是這一過程實在是過于慢了，以至于我們目前並沒有在宇宙中觀測到它實現。

超輻射可以超越光子；它可以發生在任何一種玻色子上，包括自然界的所有力載體和希格斯玻色子--也許還有暗物質。

暗物質是宇宙中所有物質的最終形態，占每個星系和星系團總質量的 80% 以上。天文學家掌握了大量暗物質存在的間接證據，但尚未確定其身份。

暗光子

有一種可能性是暗物質是一種新的超輕粒子並且與玻色子有很多相似的特征，但是它不與宇宙中的所有常規粒子發生反應。這些“暗光子”輕的不可思議，卻絕對會充斥整個宇宙。但是因爲它們不會和正常的物質發生反應，所以直接觀測到它們是極其困難的事情。

除非它們聚集在黑洞的周圍。超輻射會像作用在正常光子身上一樣也出現在暗光子身上。當暗光子聚集在黑洞周圍時，它們會被困住並聚集到高能量狀態，這時它們有可能轉化爲其他粒子（甚至是轉化爲正常光子）。

幾十年裏，科學家們一直在研究這種奇怪的現象，尤其因爲超輻射的過程提供了一個有潛力的通道去直接觀測暗物質，如果這些暗物質是由超輕玻色子組成的話（假如暗物質玻色子太重，它們就不會以同樣的方式聚集在黑洞周邊，並且超輻射的把戲就不再奏效了）。

事實上，天文學家已經利用對黑洞的實際觀測來給宇宙中暗光子的數量設限。我們尚未觀測到黑洞周圍的超光度，這意味著暗光子可能並不存在。但發表在預印本數據庫 arXiv 上的一篇新研究論文對這些結果提出了質疑，稱情況可能要複雜得多。

大多數有關暗物質的研究都假設它是由一種新的獨立例子組成的。但是，並沒有理由說暗物質的世界不如正常物質世界一樣複雜和豐富。與以往的研究不同的是，這個新的研究假設存在兩種不同“物種”的暗物質：一種類似于暗光子（玻色子），另一種更像是新的粒子（如暗物質版的電子）。

研究人員發現，不同種類的暗物質之間的相互作用會擾亂超光度過程，從而阻止暗光子獲得推動力並噴射出去。相反，當它們繞著黑洞旋轉時，可能會不斷撞擊其他種類的暗物質粒子，在此過程中消耗它們的能量。

這意味著我們不能從表面價值來看待觀測到的極限。天文學家沒有看到超輻照度並不一定說明暗光子不存在。相反，這可能意味著暗物質的物理學原理比我們想象的要複雜得多。

BY:Paul Sutter

FY:zekki

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