1916年，愛因斯坦正式發(fā)表了廣義相對論，這個引力理論認(rèn)為引力是時空結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲的結(jié)果。該理論預(yù)言，有質(zhì)量的物體在時空結(jié)構(gòu)中加速運動會產(chǎn)生漣漪，這就是引力波。
時空的漣漪：引力波
理論上，任何與引力相互作用的物體都能產(chǎn)生引力波。但只有最具高能的宇宙事件才會產(chǎn)生足夠強(qiáng)大的引力波，從而讓我們能夠探測到。在2015年，激光干涉儀引力波天文臺（LIGO）第一次直接探測到了引力波，其來源是遙遠(yuǎn)星系中的兩個黑洞碰撞。此后，天文學(xué)家又相繼多次直接探測到引力波，并在2017年首次探測到兩顆中子星合并產(chǎn)生的引力波。引力波不但有力證實了廣義相對論，而且還有望被用于暗物質(zhì)探測。
難覓其蹤的暗物質(zhì)
當(dāng)年天文學(xué)家在研究星系的旋轉(zhuǎn)曲線時發(fā)現(xiàn)，星系中可能存在著大量有別于普通物質(zhì)的不可見東西，它們產(chǎn)生的引力能讓星系結(jié)構(gòu)保持完整，否則星系必然會解體。據(jù)估計，宇宙中的暗物質(zhì)是普通物質(zhì)的五倍，它們的引力效應(yīng)在宇宙中隨處可見。
天文學(xué)家認(rèn)為，既然物質(zhì)可以產(chǎn)生引力波，那么，能夠產(chǎn)生引力的暗物質(zhì)也能產(chǎn)生引力波。雖然天文學(xué)家還沒有確切地看到由暗物質(zhì)引起的引力波，但他們從理論中推導(dǎo)出許多可能發(fā)生這種情況的方式。
原初黑洞
暗物質(zhì)的引力效應(yīng)已經(jīng)被觀測到，所以暗物質(zhì)一定在那里，或者至少一定有什么東西導(dǎo)致了這些引力效應(yīng)。但到目前為止，暗物質(zhì)粒子還沒有被直接探測到，所以天文學(xué)家至今不清楚暗物質(zhì)到底是什么樣子的。
一種觀點是，一些暗物質(zhì)實際上可能是原初黑洞。
在密度極高的早期宇宙中，密度波動可能會引發(fā)一些物質(zhì)發(fā)生強(qiáng)烈引力坍縮形成黑洞，這是宇宙中可能存在的最早黑洞，它們被稱為原初黑洞。如果這種黑洞真的存在，它們將會對早期宇宙的條件產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
通過利用引力波來了解黑洞的性質(zhì)，LIGO有望能夠證明或排除這個暗物質(zhì)理論。與普通黑洞不同，原初黑洞沒有形成所需的最小質(zhì)量閾值，它們的質(zhì)量最低可能只有一億分之一千克。相比之下，最小的恒星級黑洞的質(zhì)量下限為3倍太陽質(zhì)量。如果LIGO探測到一個質(zhì)量小于太陽的黑洞，那它有可能是一個原初黑洞。
不過，即便原初黑洞確實存在，它們是否能解釋宇宙中所有的暗物質(zhì)也是值得懷疑的。盡管如此，找到原初黑洞的證據(jù)將有助于我們對暗物質(zhì)和宇宙起源的理解。
暗物質(zhì)天體
暗物質(zhì)似乎只通過引力與普通物質(zhì)相互作用，但基于已知粒子相互作用的方式，天文學(xué)家認(rèn)為暗物質(zhì)也可能與自身相互作用。如果是這樣的話，暗物質(zhì)粒子可能會結(jié)合在一起形成像中子星一樣致密的“暗天體”。
由于恒星的質(zhì)量巨大，它們會強(qiáng)力壓縮周圍的時空結(jié)構(gòu)。如果宇宙中充斥著致密的暗天體，那么，至少有一部分會被困在普通物質(zhì)恒星中。
一顆普通的恒星和一個暗天體只會通過引力相互作用，從而使兩者共存而不會引起太多的麻煩。然而，諸如超新星爆發(fā)等破壞恒星結(jié)構(gòu)的過程，都可能在產(chǎn)生的中子星和被困的暗天體之間產(chǎn)生一種時空擾動。如果這樣的事件發(fā)生在我們的星系，它將產(chǎn)生可探測到的引力波。
天文學(xué)家最近分析了LIGO的數(shù)據(jù)，結(jié)果并沒有在地球、木星或太陽內(nèi)部發(fā)現(xiàn)特定質(zhì)量范圍的致密暗天體。對此，只能把目光放在那些質(zhì)量更大的恒星上，還需對引力波開展進(jìn)一步的研究。
軸子星
暗物質(zhì)粒子的另一個候選者是軸子，最初是在量子色動力學(xué)的研究中被提出來。天文學(xué)家認(rèn)為，軸子有可能結(jié)合成類似中子星的軸子星，它們由極其致密的軸子物質(zhì)組成。
如果一顆軸子星和一顆中子星合并，天文學(xué)家可能無法用現(xiàn)有的觀測設(shè)備來分辨出兩者之間的區(qū)別。為了發(fā)現(xiàn)可能存在的軸子星，天文學(xué)家需要依靠伴隨引力波的電磁信號來識別異常。
軸子也有可能聚集在一個雙黑洞或雙中子星系統(tǒng)周圍。如果這些死亡恒星合并，“軸子云”的變化將在引力波信號中可見。第三種可能性是，死亡恒星合并可以制造出軸子，這一行為將反映在引力波信號中。
引力波探測器已經(jīng)證明了它們在證實廣義相對論的價值，但它們的作用還不止于此。引力波開啟了全新的探測方式，這意味著人類有新的方式來研究宇宙中的重大問題。
