在浩瀚宇宙中,暗物質如同神秘的幽靈,雖不可見卻掌控著星系的運轉。科學家們估算,宇宙中約85%的質量由暗物質構成,人類探尋其蹤跡的征程已持續近一個世紀。如今,一場關于暗物質探測的科學突破正悄然展開,新的理論框架與探測技術為解開這一宇宙謎題帶來了新希望。
阿姆斯特丹大學的科研團隊近期提出了一項具有開創性的理論——一套全新的廣義相對論分析框架。這一框架聚焦于極端質量比旋入(EMRI)現象,即恒星級黑洞或中子星等小天體被星系中心的超大質量黑洞捕獲后,在漫長歲月中緩慢盤旋墜落的過程。在這個過程中,小天體如同靈敏的探測器,在強引力場中完成成千上萬個軌道周期。若周圍不存在暗物質,其軌道將嚴格遵循愛因斯坦的真空場方程;然而,星系中心往往存在高密度暗物質暈,會在超大質量黑洞周圍形成暗物質密度尖峰。當小天體穿越這些區域時,會受到暗物質的“動力學摩擦”,導致軌道能量和角動量發生細微變化,進而改變引力波的頻率和相位。盡管單次軌道的變化微乎其微,但累積數萬次后便會形成清晰的信號。
長期以來,科學家們雖知暗物質會影響引力波,但舊模型存在顯著局限。此前的研究大多依賴牛頓引力理論的近似,將暗物質視為簡單的阻力背景。但在超大質量黑洞邊緣極度扭曲的時空中,牛頓力學無法精準描述物質與時空的復雜耦合。阿姆斯特丹大學的研究團隊填補了這一空白,他們構建的完全相對論性框架,首次不依賴牛頓近似,完整運用廣義相對論描述暗物質的環境效應。該模型將暗物質視為時空幾何的一部分,詳細計算其引起的度規微擾,以及這種微擾如何影響小天體的運動,大幅提升了預測精度,為下一代探測器提供了有力支持。
在暗物質探測領域,新的思路也在不斷涌現。2025年9月,北京大學舒菁教授團隊提出了利用事件視界望遠鏡(EHT)拍攝的黑洞陰影進行探測的方法。若暗物質在黑洞附近聚集湮滅,會點亮原本漆黑的陰影中心;反之,則能限制暗物質的湮滅特性。這一研究發表于《物理評論快報》并成為封面文章,為暗物質探測開辟了全新窗口。
新理論的落地離不開強大的探測設備。歐洲航天局(ESA)計劃于2035年發射的LISA任務備受期待。它將在太空中構建臂長250萬公里的干涉儀,專門捕捉EMRI系統輻射的低頻引力波。在長達數年的觀測中,一個EMRI事件能產生數萬個引力波周期,暗物質引發的相位偏差會不斷累積,從噪音中凸顯出來。借助新框架生成的精確“波形模板”,科學家有望從數據中剝離出暗物質的證據,甚至反推其粒子質量等關鍵性質。
與此同時,2025年12月3日,東京大學戶谷友則教授團隊帶來了令人振奮的消息。他們重新分析NASA費米伽馬射線望遠鏡的數據庫,在銀河系中心發現了能量集中在20GeV的伽馬射線光暈,其分布與暗物質暈的理論模型高度吻合。盡管科學界對此仍存在質疑,認為可能是未發現的脈沖星所致,但這一發現無疑為暗物質探測注入了強大動力。
中國也在積極投身暗物質探測領域,太極、天琴等空間引力波探測計劃已列入規劃。未來,這些計劃將與LISA攜手,共同聆聽宇宙的“暗物質回響”,為解開宇宙終極奧秘貢獻力量。











