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1916年，爱因斯坦正式发表了广义相对论，这个引力理论认为引力是时空结构发生弯曲的结果。该理论预言，有质量的物体在时空结构中加速运动会产生涟漪，这就是引力波。 时空的涟漪：引力波 理论上，任何与引力相互作用的物体都能产生引力波。但只有最具高能的宇宙事件才会产生足够强大的引力波，从而让我们能够探测到。在2015年，激光干涉仪引力波天文台（LIGO）第一次直接探测到了引力波，其来源是遥远星系中的两个黑洞碰撞。此后，天文学家又相继多次直接探测到引力波，并在2017年首次探测到两颗中子星合并产生的引力波。引力波不但有力证实了广义相对论，而且还有望被用于暗物质探测。 难觅其踪的暗物质 当年天文学家在研究星系的旋转曲线时发现，星系中可能存在着大量有别于普通物质的不可见东西，它们产生的引力能让星系结构保持完整，否则星系必然会解体。据估计，宇宙中的暗物质是普通物质的五倍，它们的引力效应在宇宙中随处可见。 天文学家认为，既然物质可以产生引力波，那么，能够产生引力的暗物质也能产生引力波。虽然天文学家还没有确切地看到由暗物质引起的引力波，但他们从理论中推导出许多可能发生这种情况的方式。 原初黑洞 暗物质的引力效应已经被观测到，所以暗物质一定在那里，或者至少一定有什么东西导致了这些引力效应。但到目前为止，暗物质粒子还没有被直接探测到，所以天文学家至今不清楚暗物质到底是什么样子的。 一种观点是，一些暗物质实际上可能是原初黑洞。 在密度极高的早期宇宙中，密度波动可能会引发一些物质发生强烈引力坍缩形成黑洞，这是宇宙中可能存在的最早黑洞，它们被称为原初黑洞。如果这种黑洞真的存在，它们将会对早期宇宙的条件产生深远的影响。 通过利用引力波来了解黑洞的性质，LIGO有望能够证明或排除这个暗物质理论。与普通黑洞不同，原初黑洞没有形成所需的最小质量阈值，它们的质量最低可能只有一亿分之一千克。相比之下，最小的恒星级黑洞的质量下限为3倍太阳质量。如果LIGO探测到一个质量小于太阳的黑洞，那它有可能是一个原初黑洞。 不过，即便原初黑洞确实存在，它们是否能解释宇宙中所有的暗物质也是值得怀疑的。尽管如此，找到原初黑洞的证据将有助于我们对暗物质和宇宙起源的理解。 暗物质天体 暗物质似乎只通过引力与普通物质相互作用，但基于已知粒子相互作用的方式，天文学家认为暗物质也可能与自身相互作用。如果是这样的话，暗物质粒子可能会结合在一起形成像中子星一样致密的“暗天体”。 由于恒星的质量巨大，它们会强力压缩周围的时空结构。如果宇宙中充斥着致密的暗天体，那么，至少有一部分会被困在普通物质恒星中。 一颗普通的恒星和一个暗天体只会通过引力相互作用，从而使两者共存而不会引起太多的麻烦。然而，诸如超新星爆发等破坏恒星结构的过程，都可能在产生的中子星和被困的暗天体之间产生一种时空扰动。如果这样的事件发生在我们的星系，它将产生可探测到的引力波。 天文学家最近分析了LIGO的数据，结果并没有在地球、木星或太阳内部发现特定质量范围的致密暗天体。对此，只能把目光放在那些质量更大的恒星上，还需对引力波开展进一步的研究。 轴子星 暗物质粒子的另一个候选者是轴子，最初是在量子色动力学的研究中被提出来。天文学家认为，轴子有可能结合成类似中子星的轴子星，它们由极其致密的轴子物质组成。 如果一颗轴子星和一颗中子星合并，天文学家可能无法用现有的观测设备来分辨出两者之间的区别。为了发现可能存在的轴子星，天文学家需要依靠伴随引力波的电磁信号来识别异常。 轴子也有可能聚集在一个双黑洞或双中子星系统周围。如果这些死亡恒星合并，“轴子云”的变化将在引力波信号中可见。第三种可能性是，死亡恒星合并可以制造出轴子，这一行为将反映在引力波信号中。 引力波探测器已经证明了它们在证实广义相对论的价值，但它们的作用还不止于此。引力波开启了全新的探测方式，这意味着人类有新的方式来研究宇宙中的重大问题。 |
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