麻省理工学院朱棣文教授 合著者萨尔瓦托勒·维塔莱说:“如果你跳上旋转木马，然后从上面下来，你就可以从旋转木马上窃取能量。”
“这些玻色子对黑洞做同样的事情
“荣誉:麻省理工学院何塞-路易斯·奥利瓦雷斯 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，迄今为止还没有通过搜索来确认它们的存在
如果超轻玻色子存在的话，比如轴子，很可能是暗物质的一种形式，这种神秘、不可见的物质占宇宙物质的85%
现在，麻省理工学院LIGO实验室的物理学家已经利用黑洞搜寻超轻玻色子——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，一定质量的黑洞应该会吸入超轻玻色子云，这反过来会共同减缓黑洞的自旋
如果粒子存在，那么特定质量的所有黑洞应该具有相对较低的自旋
但是物理学家发现两个先前探测到的黑洞旋转得太快，不会受到任何超轻玻色子的影响
由于它们的大自旋，黑洞的存在排除了质量在1
3x10-13电子伏和2
7x10-13电子伏特——大约是一个电子质量的五分之一
该小组的结果发表在今天的《物理评论快报》上，进一步缩小了对轴子和其他超轻玻色子的搜索范围
这项研究也是首次利用LIGO和处女座探测到的黑洞旋转和引力波数据来寻找暗物质
“玻色子有不同的类型，我们已经探索了一种，”合著者、麻省理工学院物理学助理教授萨尔瓦托勒·维塔莱说
“可能还有其他人，我们可以将这一分析应用到LIGO和处女座在未来几年将提供的不断增长的数据集上
" 维塔莱的合著者是第一作者关杨(肯)吴，麻省理工学院卡弗利天体物理和空间研究所的研究生，以及荷兰乌得勒支大学和香港中文大学的研究人员
旋转木马的能量 超轻玻色子的搜寻范围很广，从1x10-33电子伏特到1x10-6电子伏特
到目前为止，科学家们已经使用桌面实验和天体物理观测来排除这一广阔空间中可能存在的质量碎片
自21世纪初以来，物理学家提出黑洞可能是探测超轻玻色子的另一种手段，这是由于一种被称为超辐射的效应
如果超轻玻色子存在，它们可以在适当的情况下与黑洞相互作用
量子论认为，在很小的范围内，粒子不能用经典物理来描述，甚至不能作为单个物体来描述
这个尺度，称为康普顿波长，与粒子质量成反比
由于超轻玻色子异常轻，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媲美
当这种情况发生时，超辐射预计会迅速发展
超轻玻色子随后从黑洞周围的真空中产生，其数量大到足以使微小粒子集体拖动黑洞并减缓其旋转
“如果你跳上旋转木马，然后从上面下来，你可以从旋转木马上窃取能量，”维塔莱说
“这些玻色子对黑洞做同样的事情
" 科学家认为这种玻色子减速可能会持续几千年——在天体物理时间尺度上相对较快
“如果玻色子存在，我们会认为适当质量的旧黑洞不会有大的旋转，因为玻色子云会提取大部分的旋转，”吴说
“这意味着发现一个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和维塔莱将这一推理应用到由LIGO、激光干涉仪引力波观测站和它的伙伴探测器处女座所做的黑洞测量中
探测器“监听”引力波，或者来自遥远灾难的回响，比如合并黑洞，也就是众所周知的双星
在他们的研究中，研究小组查看了LIGO和处女座迄今报告的所有45个黑洞双星
这些黑洞的质量是太阳质量的10到70倍，表明如果它们与超轻玻色子相互作用，这些粒子的质量应该在1x10-13电子伏到2x10-11电子伏之间
对于每一个黑洞，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时它应该具有的自旋
根据他们的分析，两个黑洞脱颖而出:GW190412和GW190517
正如物理物体有一个最大速度——光速一样，黑洞也有一个旋转的极限
GW190517正以接近最大值的速度旋转
研究人员计算出，如果超轻玻色子存在，它们会将玻色子的旋转速度降低两倍
“如果它们存在，这些东西会吸收很多角动量，”维塔莱说
“他们真的是吸血鬼
" 研究人员还解释了产生黑洞大自旋的其他可能情况，同时仍然允许超轻玻色子的存在
例如，黑洞可能是由玻色子旋转下来的，但随后通过与周围吸积盘的相互作用而再次加速——吸积盘是黑洞可以从中吸取能量和动量的物质盘
“如果你计算一下，你会发现把一个黑洞旋转到我们在这里看到的水平需要太长时间，”吴说
“所以，我们可以放心地忽略这种加速旋转效应
" 换句话说，黑洞的高自旋不太可能是由于超轻玻色子也存在的另一种情况
鉴于两个黑洞的质量和高自旋，研究人员能够排除质量在1
3x10-13电子伏和2
7x10-13电子伏
“在这个质量范围内，我们基本上排除了某些类型的玻色子，”维塔莱说
这项工作也展示了引力波探测如何有助于寻找基本粒子
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