超轻玻色子是什么？快速旋转的黑洞缩小了对暗物质粒子的搜索？

　　某些超轻玻色子有望使黑洞刹车，但新的结果表明没有这种减速。

　　超轻玻色子是假设的粒子，其质量预计小于电子质量的十亿分之一。它们与周围环境的互动相对较少，因此至今仍没有进行搜索以确认其存在。如果它们存在，那么诸如轴心之类的超轻玻色子将很可能是暗物质的一种，暗物质是神秘的，看不见的东西，占宇宙物质的85％。

　　现在，物理学家麻省理工学院的LIGO实验室已经寻找使用黑洞超轻玻色子——比粒子本身质量大几个数量级的物体。根据量子理论的预测，一定质量的黑洞会拉动超轻玻色子云，这反过来会共同减慢黑洞的自旋。如果存在粒子，则特定质量的所有黑洞都应具有相对较低的自旋。

　　但是物理学家发现，两个先前检测到的黑洞旋转得太快，以至于没有受到任何超轻玻色子的影响。由于其大的自旋，黑洞的存在排除了质量在1.3×10-13电子伏特和2.7×10-13电子伏特之间的超轻玻色子的存在——大约是电子质量的五十分之一。

　　快速旋转的黑洞缩小了对暗物质粒子的搜索？

　　该小组的结果发表，进一步缩小了寻找轴心和其他超轻玻色子的范围。这项研究也是首次使用LIGO和处女座探测到的黑洞的自旋以及引力波数据来寻找暗物质。

　　麻省理工学院物理学副教授萨尔瓦托·维塔莱（Salvatore Vitale）说：“玻色子有不同类型，我们已经探究了其中一种。” “可能还有其他情况，我们可以将此分析应用于LIGO和Virgo在未来几年内将提供的不断增长的数据集。”

　　Vitale的主要作者是麻省理工学院Kavli天体物理与空间研究所的研究生Kwan Yeung Ng（吴建扬），以及荷兰乌得勒支大学和香港中文大学的研究人员。

　　人们正在寻找从1×10-33电子伏特到1×10-6电子伏特的各种超轻质量的超轻玻色子。迄今为止，科学家已经使用桌面实验和天体观测来排除可能存在的大量物体的碎片。自2000年代初以来，物理学家提出，由于被称为超辐射的效应，黑洞可能成为检测超轻玻色子的另一种方法。

　　如果存在超轻的玻色子，则它们可以在适当的情况下与黑洞相互作用。量子理论认为，在很小的范围内，粒子无法用经典物理学描述，甚至不能描述为单个物体。这个标度称为康普顿波长，与粒子质量成反比。

　　由于超轻玻色子是异常光，因此预计它们的波长会异常大。对于一定质量范围的玻色子，它们的波长可以与黑洞的大小相比。发生这种情况时，超辐射有望迅速发展。然后由围绕黑洞的真空产生超轻的玻色子，其数量大到足以使微小的粒子集体拖曳到黑洞上并减慢其旋转速度。

　　Vitale说：“如果您从传送带上跳下来，就可以从传送带上窃取能量。” “这些玻色子对黑洞做同样的事情。”

　　科学家们相信，这种玻色子的减速可能会持续几千年，在天体物理学的时间尺度上相对较快。

　　Ng说：“如果存在玻色子，我们期望适当质量的旧黑洞不会有大的自旋，因为玻色子云会提取掉其中的大部分。” “这意味着发现一个具有大自旋的黑洞可以排除某些质量的玻色子的存在。”

　　向上旋转，向下旋转

　　Ng和Vitale将这种推理应用于LIGO，激光干涉仪引力波天文台及其配套探测器Virgo进行的黑洞测量。检测器“监听”引力波或遥远的灾难所产生的混响，例如合并黑洞（称为二进制）。

　　在他们的研究中，研究小组查看了LIGO和处女座迄今报告的全部45个黑洞二进制文件。这些黑洞的质量（在太阳质量的10到70倍之间）表明，如果它们与超轻质玻色子相互作用，这些粒子的质量将在1×10-13电子伏特和2×10-11电子伏特之间。

　　对于每个黑洞，研究小组计算了如果黑洞被相应质量范围内的超轻玻色子甩下来所应具有的自旋。通过他们的分析，发现了两个黑洞：GW190412和GW190517。就像物理对象的最大速度（光速）一样，黑洞可以旋转的是顶部旋转。GW190517的旋转速度接近该最大值。研究人员计算出，如果存在超轻玻色子，它们会将其自旋向下拖移两倍。

　　Vitale说：“如果它们存在，这些东西将吸收很多角动量。” “他们真的是吸血鬼。”

　　研究人员还考虑了产生黑洞大自旋的其他可能情况，同时仍然允许存在超轻玻色子。例如，一个黑洞本来可以被玻色子甩下来，但随后通过与周围吸积盘的相互作用而又加速了。吸盘是一个物质，黑洞可以从中吸取能量和动量。

　　Ng说：“如果进行数学运算，发现将黑洞旋转到我们在此处看到的水平所需的时间太长。” “因此，我们可以放心地忽略这种加速效应。”

　　换句话说，黑洞的高自旋不太可能是由于还存在超轻玻色子的另一种情况。考虑到两个黑洞的质量和高自旋，研究人员能够排除质量在1.3×10-13电子伏特和2.7×10-13电子伏特之间的超轻玻色子的存在。

　　Vitale说：“我们基本上已经排除了这种质量范围内的某些类型的玻色子。” “这项工作还展示了引力波检测如何有助于搜索基本粒子。”