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LIGO之后:暗物质,相对论,超对称,黑洞,中微子谁是赢家和输家?

2020-02-14  博科园

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两个黑洞的合并,与LIGO所探测到的质量相当。图片版权:SXS,模拟极限时空(SXS)项目

在2015年暗物质的情况非常简单:宇宙中的大规模结构要求有大量的冷暗物质,替代物正在努力重现这些成功。爱因斯坦的广义相对论仍然需要在所有尺度上运行,从局部的、基于太阳系的测试到宇宙的测试,但是没有直接的测试它的一些最伟大的,强场的预测。这一切在两年前发生了变化,LIGO首次宣布发现了引力波,这是由两个黑洞合并而引起时空涟漪造成的(三位主要科学家已因引力波的发现做出贡献而获得了2017年诺贝尔物理学奖)。

在运行I和运行II的过程中,LIGO后来与室女座探测器连接,发现了5个双黑洞合并,以及一已合并的双中子星。图片版权:LIGO scientific collaboration.

现在在接近2017年底的时候,科学家已经用引力波天文学探测到了5个合并的黑洞和一对合并中子星,这是一个了不起的成果。然而这些发现为我们提供了大量关于暗物质及其替代物的数据,充满了赢家和输家。在充分证据的背景下,这就是我们所知道的。

(如图所示)由于质量而引起产生的波纹和变形的时空结构。一种新的理论必须与广义相对论完全相同;它必须做出新颖独特的预测。由于LIGO的观测,我们知道广义相对论的预测与正确是不可区分的。

赢家1:广义相对论

爱因斯坦的广义相对论在1915年首次提出,爱因斯坦的理论对时空与物质/能量之间的关系做出了明确的预测,其中包括一个新的预测:关于引力涟漪通过空间本身的结构传播。任何在时空中运动的物体,其曲率都在改变,应该会发射出特定振幅和频率的引力辐射,并且辐射应该以光速度传播,在它经过的时候扭曲空间。100年来这一预测一直未被证实,直到两颗LIGO探测器开始看到它们的第一次真实事件。

今年早些时候观测到中子星的合并,也在电磁(光)光谱中看到。我们现在知道从一个单一的事件引力波和光的到达时间相差不超过10^15分之1秒,这证实了相对论的预测,即引力的速度等于光速的速度,达到了前所未有的精度。

位于大麦哲伦星云的超新星1987a的残骸,距离地球大约165000光年远。中微子是在第一个光信号发出的数小时前到达的,这一事实使我们了解到,光通过恒星的层来传播超新星的时间比它对速度中微子的传播速度要多,这与光速是难以区分的。现在知道中微子、光和引力现在都以同样的速度运动着。图片版权:Noel Carboni & the ESA/ESO/NASA Photoshop FITS Liberator

失败者1:修改引力理论

修改引力理论,重力和光线遵守不同的规则。有很多观点认为,有很多重力和光线不匹配的例子是因为爱因斯坦的广义相对论不太正确,引力定律需要修改。这些改变引力的理论试图消除暗物质,用新的引力定律代替它们。然而为了解决暗物质的问题,所提出的许多替代方案导致引力波和光波在空间中传播的情况不同。那些这样做的理论现在被排除了,这包括一些最有希望的重力理论,比如贝肯斯坦的TeVeS。

所有无质量粒子以光速运动,包括光子、胶子和引力波,它们分别携带电磁、强核和引力相互作用。来自GW170817的引力波和电磁波的到达时间几乎完全相同,这一点非常重要,特别是考虑到它们在通过暗物质产生的相同的引力势阱中行驶而延迟。图片版权:NASA /索诺玛州立大学/ Aurore Simonnet

失败者2:光速变化的宇宙学

如果约束是引力波和光速必须等于千亿分之一,那么光速至少在数亿年内不可能超过这个数量。如果想改变光的速度也必须改变重力的速度,并且对G,c和 h的组合有严格的限制(普朗克常数),由于原子光谱的一致性,最后一个不允许变化。这些模型的一些例子试图消除暗物质或暗能量;由于LIGO现在知道大多数这些模型将不起作用。从很多方面来看,LIGO观察发现光速在宇宙时间变化的观点受到了巨大的冲击。

在这张哈勃太空望远镜的图像中,许多红色的星系都是巨大的MACS J1149.6+ 2223星团的成员,这个星系创造出背景星系的扭曲和高度放大的图像。一个大型的星系团(星系核中心)将一颗爆炸的超新星的光分解成4个黄色的图像(箭头),由于时空的弯曲,它们的到达时间有所差异(被延迟了)。图片版权:哈勃太空望远镜/欧空局和美国宇航局

赢家2:冷暗物质

特别是距离1.3亿光年的中子星合并事件中,由于介入物质数百年,引力波信号的到达时间应该是延迟的。事实上光波和引力波的到达延迟了相同的量,这为暗物质提供了进一步的证据,特别是考虑到在光波中通过引力透镜已经观测到超新星,证明了暗物质延迟了光信号的到达时间。如果没有暗物质,这种行为应该是完全不同的;我们的引力波天文台提供了暗物质是真实的进一步独立的证据(证明暗物质是真实存在的)。

尽管在LIGO敏感质量范围内对黑洞的限制看起来很明显,但根据LIGO结果对超新星的分析表明,在这个范围内不超过三分之一的黑洞可能是原始黑洞。图片版权:Miguel Zumalacarregui and Uros Seljak (2017), via

失败者3: 原始黑洞是暗物质

一个边缘的想法一直是,也许暗物质不是基于粒子的,而是由大爆炸后不久形成的黑洞构成的。虽然没有任何证明机制可以产生大量的黑洞,但却没有改变我们宇宙大尺度结构的其余部分,因此观测的责任是将一个想法排除在外。在此之前,一系列的限制来自于各种各样的宇宙源,但是在10~100个太阳质量范围内的黑洞的发现使人们重新认识到黑洞可能是暗物质。

然而在上周的一篇新论文中Miguel Zumalacarregui和Uros Seljak展示了黑洞、超新星和光传播的影响,所有的工作都排除了在这个特定质量范围内的原始黑洞中的大多数暗物质。在LIGO敏感的质量范围内的原始黑洞绝不可能是暗物质的大部分。

WIMP暗物质的限制在实验上是相当严格的。最低的曲线排除了WIMP(弱相互作用的大质量粒子)横截面以及位于其上的任何物体的暗物质质量。图片版权:Xenon-100 Collaboration (2012), via

失败者4: 一般WIMP,尤其是超对称

就像冷暗物质的解释那样令人信服,我们正在寻找的最常见的候选人是WIMP:弱相互作用的大质量粒子。大型强子对撞机(我们寻找碰撞时缺少质量/能量的地方)以及隔离式后坐探测器正在进行广泛的直接探测搜索。现在这些粒子的界限如此之大,超对称的WIMP原本是为解决其他问题(如物理层次问题)而设计的,不能再在允许的质量范围内解决它们。当LIGO的结果与LHC的结果和其他实验结合起来的时候,对于WIMP来说,看起来很严峻。

一个电子的质量差子,最轻的正常标准模型粒子和最重的可能中微子之间的质量差异大于400万倍,这个差距甚至比电子和顶夸克之间的差距还要大。图片版权:Hitoshi Murayama

赢家3:大规模的中微子

标准模型没有解释第一个(也是唯一的)粒子物理现象的证据是中微子振荡,这意味着中微子有一个非常轻但非零的质量。为什么是这样?最主流解释是:中微子有两种截然不同的类型,左性和右性,在跷跷板上平衡,右手类型有一个非常重的质量落在一边。这意味着今天的左手中微子将是非常轻的,而右手中微子是一个最佳的暗物质候选者。如果这是真的,则应该观察到一种特殊的衰减类型:中微子双β衰变。

当一个原子核经历双中子衰变时,通常会产生两个电子和两个中微子。如果中微子服从这个跷跷板机制,并且是马约喇纳粒子,中微子的双衰变应该是可能的。实验正在积极寻找。图片版权:路德维希Niedermeier,图宾根大学/ GERDA

有实验正在寻找这一点,但更令人信服的是,这是一个需要解释的现象,即使它不是暗物质问题的完整答案。LIGO的结果与这种暗物质是一致的,虽然LIGO本身并不是很好地限制WIMP或基于中微子的暗物质。为了理解宇宙是由什么构成的,需要看一整套证据,远远超过单一类型的实验/观测可以告诉你的。

银河系在透明地球上的三维投影显示了两个LIGO探测器(GW150914(深绿色),GW151226(蓝色),GW170104(洋红色)) 观测到的三个证实的黑洞合并事件的可能位置。和处女座和LIGO探测器观察到的第四次确认的检测(GW170814,淡绿色,左下)。也显示(以橙色)是较低的显着事件LVT151012。三个探测器将使我们能够探测和识别引力波事件的位置,比仅仅两个更精确。图片版权:LIGO / Virgo / Caltech / MIT / Leo Singer(银河映像:Axel Mellinger)

现在说暗物质到底是什么还为时过早,但很容易就能看到过去两年里什么东西看起来更好。广义相对论已经通过了另一种非常严格的测试:引力波是真实的,携带能量,具有属性(振幅、频率、红移、偏振等),它们被预测有,并以光速运动。光子和引力波遵循不同规则的修正引力理论受到高度约束,而原始黑洞和wimp,尤其是超对称的WIMPs,看起来越来越不可能。

通过插图的大尺度投影是z = 0的体积,以最大的星系团为中心,以15 Mpc/ h的深度为中心。显示暗物质密度(左)转换成气体密度(右)。没有暗物质,宇宙的大规模结构是无法解释的,尽管有许多修正的引力尝试存在。图片版权:Illustris合作/ Illustris模拟

另一方面,冷暗物质在各种尺度上仍然是非常需要的,而LIGO的观测在这个想法中没有做任何事情来打破任何漏洞。当你把完整的证据组合在一起时,大规模的中微子(已经是除标准模型以外唯一已知的粒子物理学)可能成为解决黑暗物质问题的关键,但是物质 - 反物质不对称性可能与暗能量也是如此。这是基础物理的变革时期,宇宙最大的宇宙尺度上的直接观测,让我们了解了宇宙最小尺度上的基本规则和粒子。由于第一次引力波观测,我们可能比以往更接近理解我们的黑暗宇宙。

知识:科学无国界,博科园-科学科普

作者:Ethan Siegel(天体物理学家)

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