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兩個黑洞的合并，與LIGO所探測到的質(zhì)量相當(dāng)。圖片版權(quán)：SXS，模擬極限時空（SXS）項目
在2015年暗物質(zhì)的情況非常簡單：宇宙中的大規(guī)模結(jié)構(gòu)要求有大量的冷暗物質(zhì)，替代物正在努力重現(xiàn)這些成功。愛因斯坦的廣義相對論仍然需要在所有尺度上運行，從局部的、基于太陽系的測試到宇宙的測試，但是沒有直接的測試它的一些最偉大的，強場的預(yù)測。這一切在兩年前發(fā)生了變化，LIGO首次宣布發(fā)現(xiàn)了引力波，這是由兩個黑洞合并而引起時空漣漪造成的（三位主要科學(xué)家已因引力波的發(fā)現(xiàn)做出貢獻而獲得了2017年諾貝爾物理學(xué)獎）。
在運行I和運行II的過程中，LIGO后來與室女座探測器連接，發(fā)現(xiàn)了5個雙黑洞合并，以及一已合并的雙中子星。圖片版權(quán)：LIGO scientific collaboration.
現(xiàn)在在接近2017年底的時候，科學(xué)家已經(jīng)用引力波天文學(xué)探測到了5個合并的黑洞和一對合并中子星，這是一個了不起的成果。然而這些發(fā)現(xiàn)為我們提供了大量關(guān)于暗物質(zhì)及其替代物的數(shù)據(jù)，充滿了贏家和輸家。在充分證據(jù)的背景下，這就是我們所知道的。
（如圖所示）由于質(zhì)量而引起產(chǎn)生的波紋和變形的時空結(jié)構(gòu)。一種新的理論必須與廣義相對論完全相同；它必須做出新穎獨特的預(yù)測。由于LIGO的觀測，我們知道廣義相對論的預(yù)測與正確是不可區(qū)分的。
贏家1：廣義相對論
愛因斯坦的廣義相對論在1915年首次提出，愛因斯坦的理論對時空與物質(zhì)/能量之間的關(guān)系做出了明確的預(yù)測，其中包括一個新的預(yù)測：關(guān)于引力漣漪通過空間本身的結(jié)構(gòu)傳播。任何在時空中運動的物體，其曲率都在改變，應(yīng)該會發(fā)射出特定振幅和頻率的引力輻射，并且輻射應(yīng)該以光速度傳播，在它經(jīng)過的時候扭曲空間。100年來這一預(yù)測一直未被證實，直到兩顆LIGO探測器開始看到它們的第一次真實事件。
今年早些時候觀測到中子星的合并，也在電磁(光)光譜中看到。我們現(xiàn)在知道從一個單一的事件引力波和光的到達時間相差不超過10^15分之1秒，這證實了相對論的預(yù)測，即引力的速度等于光速的速度，達到了前所未有的精度。
位于大麥哲倫星云的超新星1987a的殘骸，距離地球大約165000光年遠。中微子是在第一個光信號發(fā)出的數(shù)小時前到達的，這一事實使我們了解到，光通過恒星的層來傳播超新星的時間比它對速度中微子的傳播速度要多，這與光速是難以區(qū)分的?，F(xiàn)在知道中微子、光和引力現(xiàn)在都以同樣的速度運動著。圖片版權(quán)：Noel Carboni & the ESA/ESO/NASA Photoshop FITS Liberator
失敗者1：修改引力理論
修改引力理論，重力和光線遵守不同的規(guī)則。有很多觀點認為，有很多重力和光線不匹配的例子是因為愛因斯坦的廣義相對論不太正確，引力定律需要修改。這些改變引力的理論試圖消除暗物質(zhì)，用新的引力定律代替它們。然而為了解決暗物質(zhì)的問題，所提出的許多替代方案導(dǎo)致引力波和光波在空間中傳播的情況不同。那些這樣做的理論現(xiàn)在被排除了，這包括一些最有希望的重力理論，比如貝肯斯坦的TeVeS。
所有無質(zhì)量粒子以光速運動，包括光子、膠子和引力波，它們分別攜帶電磁、強核和引力相互作用。來自GW170817的引力波和電磁波的到達時間幾乎完全相同，這一點非常重要，特別是考慮到它們在通過暗物質(zhì)產(chǎn)生的相同的引力勢阱中行駛而延遲。圖片版權(quán)：NASA /索諾瑪州立大學(xué)/ Aurore Simonnet
失敗者2：光速變化的宇宙學(xué)
如果約束是引力波和光速必須等于千億分之一，那么光速至少在數(shù)億年內(nèi)不可能超過這個數(shù)量。如果想改變光的速度也必須改變重力的速度，并且對G，c和 h的組合有嚴(yán)格的限制（普朗克常數(shù)），由于原子光譜的一致性，最后一個不允許變化。這些模型的一些例子試圖消除暗物質(zhì)或暗能量；由于LIGO現(xiàn)在知道大多數(shù)這些模型將不起作用。從很多方面來看，LIGO觀察發(fā)現(xiàn)光速在宇宙時間變化的觀點受到了巨大的沖擊。
在這張哈勃太空望遠鏡的圖像中，許多紅色的星系都是巨大的MACS J1149.6+ 2223星團的成員，這個星系創(chuàng)造出背景星系的扭曲和高度放大的圖像。一個大型的星系團（星系核中心）將一顆爆炸的超新星的光分解成4個黃色的圖像(箭頭)，由于時空的彎曲，它們的到達時間有所差異（被延遲了）。圖片版權(quán)：哈勃太空望遠鏡/歐空局和美國宇航局
贏家2：冷暗物質(zhì)
特別是距離1.3億光年的中子星合并事件中，由于介入物質(zhì)數(shù)百年，引力波信號的到達時間應(yīng)該是延遲的。事實上光波和引力波的到達延遲了相同的量，這為暗物質(zhì)提供了進一步的證據(jù)，特別是考慮到在光波中通過引力透鏡已經(jīng)觀測到超新星，證明了暗物質(zhì)延遲了光信號的到達時間。如果沒有暗物質(zhì)，這種行為應(yīng)該是完全不同的；我們的引力波天文臺提供了暗物質(zhì)是真實的進一步獨立的證據(jù)（證明暗物質(zhì)是真實存在的）。
盡管在LIGO敏感質(zhì)量范圍內(nèi)對黑洞的限制看起來很明顯，但根據(jù)LIGO結(jié)果對超新星的分析表明，在這個范圍內(nèi)不超過三分之一的黑洞可能是原始黑洞。圖片版權(quán)：Miguel Zumalacarregui and Uros Seljak (2017), via
失敗者3： 原始黑洞是暗物質(zhì)
一個邊緣的想法一直是，也許暗物質(zhì)不是基于粒子的，而是由大爆炸后不久形成的黑洞構(gòu)成的。雖然沒有任何證明機制可以產(chǎn)生大量的黑洞，但卻沒有改變我們宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的其余部分，因此觀測的責(zé)任是將一個想法排除在外。在此之前，一系列的限制來自于各種各樣的宇宙源，但是在10~100個太陽質(zhì)量范圍內(nèi)的黑洞的發(fā)現(xiàn)使人們重新認識到黑洞可能是暗物質(zhì)。
然而在上周的一篇新論文中Miguel Zumalacarregui和Uros Seljak展示了黑洞、超新星和光傳播的影響，所有的工作都排除了在這個特定質(zhì)量范圍內(nèi)的原始黑洞中的大多數(shù)暗物質(zhì)。在LIGO敏感的質(zhì)量范圍內(nèi)的原始黑洞絕不可能是暗物質(zhì)的大部分。
WIMP暗物質(zhì)的限制在實驗上是相當(dāng)嚴(yán)格的。最低的曲線排除了WIMP（弱相互作用的大質(zhì)量粒子）橫截面以及位于其上的任何物體的暗物質(zhì)質(zhì)量。圖片版權(quán)：Xenon-100 Collaboration (2012), via
失敗者4： 一般WIMP，尤其是超對稱
就像冷暗物質(zhì)的解釋那樣令人信服，我們正在尋找的最常見的候選人是WIMP：弱相互作用的大質(zhì)量粒子。大型強子對撞機（我們尋找碰撞時缺少質(zhì)量/能量的地方）以及隔離式后坐探測器正在進行廣泛的直接探測搜索。現(xiàn)在這些粒子的界限如此之大，超對稱的WIMP原本是為解決其他問題（如物理層次問題）而設(shè)計的，不能再在允許的質(zhì)量范圍內(nèi)解決它們。當(dāng)LIGO的結(jié)果與LHC的結(jié)果和其他實驗結(jié)合起來的時候，對于WIMP來說，看起來很嚴(yán)峻。
一個電子的質(zhì)量差子，最輕的正常標(biāo)準(zhǔn)模型粒子和最重的可能中微子之間的質(zhì)量差異大于400萬倍，這個差距甚至比電子和頂夸克之間的差距還要大。圖片版權(quán)：Hitoshi Murayama
贏家3：大規(guī)模的中微子
標(biāo)準(zhǔn)模型沒有解釋第一個（也是唯一的）粒子物理現(xiàn)象的證據(jù)是中微子振蕩，這意味著中微子有一個非常輕但非零的質(zhì)量。為什么是這樣？最主流解釋是：中微子有兩種截然不同的類型，左性和右性，在蹺蹺板上平衡，右手類型有一個非常重的質(zhì)量落在一邊。這意味著今天的左手中微子將是非常輕的，而右手中微子是一個最佳的暗物質(zhì)候選者。如果這是真的，則應(yīng)該觀察到一種特殊的衰減類型：中微子雙β衰變。
當(dāng)一個原子核經(jīng)歷雙中子衰變時，通常會產(chǎn)生兩個電子和兩個中微子。如果中微子服從這個蹺蹺板機制，并且是馬約喇納粒子，中微子的雙衰變應(yīng)該是可能的。實驗正在積極尋找。圖片版權(quán)：路德維希Niedermeier，圖賓根大學(xué)/ GERDA
有實驗正在尋找這一點，但更令人信服的是，這是一個需要解釋的現(xiàn)象，即使它不是暗物質(zhì)問題的完整答案。LIGO的結(jié)果與這種暗物質(zhì)是一致的，雖然LIGO本身并不是很好地限制WIMP或基于中微子的暗物質(zhì)。為了理解宇宙是由什么構(gòu)成的，需要看一整套證據(jù)，遠遠超過單一類型的實驗/觀測可以告訴你的。
銀河系在透明地球上的三維投影顯示了兩個LIGO探測器（GW150914（深綠色），GW151226（藍色），GW170104（洋紅色）） 觀測到的三個證實的黑洞合并事件的可能位置。和處女座和LIGO探測器觀察到的第四次確認的檢測（GW170814，淡綠色，左下）。也顯示（以橙色）是較低的顯著事件LVT151012。三個探測器將使我們能夠探測和識別引力波事件的位置，比僅僅兩個更精確。圖片版權(quán)：LIGO / Virgo / Caltech / MIT / Leo Singer（銀河映像：Axel Mellinger）
現(xiàn)在說暗物質(zhì)到底是什么還為時過早，但很容易就能看到過去兩年里什么東西看起來更好。廣義相對論已經(jīng)通過了另一種非常嚴(yán)格的測試：引力波是真實的，攜帶能量，具有屬性(振幅、頻率、紅移、偏振等)，它們被預(yù)測有，并以光速運動。光子和引力波遵循不同規(guī)則的修正引力理論受到高度約束，而原始黑洞和wimp，尤其是超對稱的WIMPs，看起來越來越不可能。
通過插圖的大尺度投影是z = 0的體積，以最大的星系團為中心，以15 Mpc/ h的深度為中心。顯示暗物質(zhì)密度(左)轉(zhuǎn)換成氣體密度(右)。沒有暗物質(zhì)，宇宙的大規(guī)模結(jié)構(gòu)是無法解釋的，盡管有許多修正的引力嘗試存在。圖片版權(quán)：Illustris合作/ Illustris模擬
另一方面，冷暗物質(zhì)在各種尺度上仍然是非常需要的，而LIGO的觀測在這個想法中沒有做任何事情來打破任何漏洞。當(dāng)你把完整的證據(jù)組合在一起時，大規(guī)模的中微子（已經(jīng)是除標(biāo)準(zhǔn)模型以外唯一已知的粒子物理學(xué)）可能成為解決黑暗物質(zhì)問題的關(guān)鍵，但是物質(zhì) - 反物質(zhì)不對稱性可能與暗能量也是如此。這是基礎(chǔ)物理的變革時期，宇宙最大的宇宙尺度上的直接觀測，讓我們了解了宇宙最小尺度上的基本規(guī)則和粒子。由于第一次引力波觀測，我們可能比以往更接近理解我們的黑暗宇宙。
知識：科學(xué)無國界，博科園-科學(xué)科普
