寻找引力波与暗物质的新思路

究竟什么是科学研究？科学家的每一天都是怎样度过的？在很多人的想象中，科学研究充满了各种新奇的想象和发现，科学家则生活在一种远离日常的奇异世界之中。实际上，进行科学研究可能远没有人们想象中的浪漫，科学家的日常也更多是艰辛的劳动，而且不知道在未来究竟能否有所收获。即便是在人们眼中充满浪漫色彩的宇宙学家，他们的工作也大都是前途未知的漫漫求索。

人类在2015年首次通过激光干涉引力波天文台（LIGO）直接探测到了引力波信号。不过，在地球上利用这种方式探测引力波有很大的局限，只能发现在一定频率范围之内的引力波信号。这些引力波大多是由相当于几十个太阳质量的黑洞或中子星合并时所发出的。而在宇宙中，绝不只有这样的天体会释放出剧烈的引力波。比如说在星系合并过程中，两个相当于数百万个太阳质量的超大质量黑洞合并，就可能释放出频率极低、波长极大的引力波——这类引力波信号的一个周期甚至可能长达几个光年，远远超出地球上引力波探测器的探测范围。

尽管还没有探测到这样的引力波信号，但宇宙学家们相信，宇宙中充满着这种超大质量黑洞合并时释放的引力波信号。如果能够真正探测并且理解这些信号，会帮助人类理解宇宙的形态。这就需要把整个银河系都当作一个巨大的引力波探测器进行研究了。

要知道，在银河系中分布着一些名叫“脉冲星”（Pulsar）的奇异天体，它们由于自身快速自转，不断地向地球发射频率固定的脉冲信号。正是因为脉冲星信号非常准确，宇宙学家们把银河系中已知的脉冲星集合起来，组成了一个“脉冲星计时阵列”（Pulsar Timing Array）。这个由脉冲星组成的引力波探测器可能就是探测超大质量黑洞合并所产生的引力波信号，甚至理论上在宇宙刚刚诞生时所产生的“原初引力波”的绝佳机会。

引力波本身就是一种时空的涟漪。可以想见，当波长极大的引力波信号经过某个脉冲星，它附近的时空产生出褶皱，它与地球的距离也就发生了变化。在地球上看来，它所发射的极其精确的脉冲信号也就出现了偏差。如果我们把整个脉冲星计时阵列看作一个遍布银河系的引力波探测器，也就可以通过某个位置脉冲星信号的改变来发现引力波了。

宇宙学家们习惯于在射电信号的频率范围内对脉冲星进行探测，初步得出了一些统计学结果，认为存在超大质量黑洞合并所发射的引力波。但也有科学家改变思路，希望通过14年前升空的费米伽马射线太空望远镜（Fermi Gamma-ray Space Telescope），在伽马射线的频率范围内对脉冲星计时阵列进行探测。

星际物质可能对电磁波的传播造成干扰，而伽马射线则更少受到这样的干扰。两相对比，科学家们就可以理解星际物质在电磁波传播过程中的作用，并对超大质量黑洞产生的引力波信号有更精确的理解。美国海军研究实验室的伽马射线天文学家马修·克尔（Matthew Kerr）与合作者分析了费米伽马射线太空望远镜在过去12.5年间从大约30个脉冲星收集到的伽马射线数据。2022年4月，他们在《科学》（Science）杂志上发表论文《脉冲星计时阵列限制纳赫兹引力波背景辐射》（A gamma-ray pulsar timing array constrains the nanohertz gravitational wave background），报告了初步研究结果。

引力波信号虽然微弱缥缈，终究还是被人类探测到了。而另外一种更加令人迷惑的物质，至今仍然是一个未解之谜，这就是已经困扰了人类数十年的暗物质（Dark Matter）。人类早就通过天文学观测发现，如果以可见的物质而言，很多星系根本不可能维持其状态。在自旋的作用下，很多恒星都会被抛离星系。之所以很多星系能够保持原状，是因为在其中还有人们看不到的物质在提供引力作用，这就是占宇宙物质总量85%的暗物质。

可惜的是，除了这样的天文学观测证据之外，人类所掌握的关于暗物质的其他信息几乎为零。正因如此，有人开始怀疑暗物质是否确实存在。有些科学家认为，是人类的物理学定律在描述宇宙现象时出现了偏差，才导致暗物质概念的出现。如果可以适当调整物理学定律，则可以让暗物质概念消失。

也有科学家仍然在苦苦求索暗物质的本质。他们猜测暗物质的构成方式与普通物质相似，也是由基本粒子构成。这些粒子与普通物质之间通常只发生引力作用，因此看不到也摸不到。最流行的暗物质粒子模型被称为“大质量弱相互作用粒子”（weakly interacting massive particles）。这种粒子的质量大约是质子质量的100倍。但可惜的是，多年来地球上各处布置的暗物质探测器都没有发现过这种粒子的踪迹。

在失望之余，一些科学家开始搜索另外一种暗物质粒子“轴子”（Axion）。这种假想中的粒子质量几乎为零——是质子质量的一百万亿分之一到万亿分之一之间。该如何探测这种质量微乎其微的粒子？有科学家借助量子计算机中的半导体器件，制作捕捉轴子的探测器。比如说，一个暗物质粒子可能与普通物质粒子相互作用，发射出一个“暗光子”，而后这个暗光子转化为普通光子。经过探测器时，这样的光子可能会激发半导体材料中的电子，让电子在材料中游走，形成电流。把这样的材料控制在极低温的条件下，并且避免受到任何形式的辐射，如果它仍然能够产生电流，就非常有可能是由暗物质粒子产生的。

斯坦福大学的物理学家肯特·欧文（Kent Irwin）则希望探测到轴子的另外一种特性。他成立了“暗物质无线电”（Dark Matter Radio）项目，希望用一种特殊的“收音机”，探测到轴子作为物质波时呈现出的波动信号——通过这种探测方法即便仍然探测不到轴子的信号，也可以把轴子可能的质量范围进一步缩小，算是对暗物质探测做出的贡献。

可以看出，无论是在茫茫宇宙中还是在实验室里，科学家所做的大多数工作都是循着某一条线索，不懈地追求某一个目标。而大多时候，这样的追求都难有收获。人类的科学，也正是在这样不断的挫败中前进。

（本文写作参考了《科学》杂志等媒体的相关报道） 脉冲星科学天文引力波暗物质