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兩個(gè)黑洞的合并，與LIGO所探測(cè)到的質(zhì)量相當(dāng)。圖片版權(quán)：SXS，模擬極限時(shí)空（SXS）項(xiàng)目
在2015年暗物質(zhì)的情況非常簡(jiǎn)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(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論仍然需要在所有尺度上運(yùn)行，從局部的、基于太陽(yáng)系的測(cè)試到宇宙的測(cè)試，但是沒(méi)有直接的測(cè)試它的一些最偉大的，強(qiáng)場(chǎng)的預(yù)測(cè)。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(gè)黑洞合并而引起時(shí)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(xiàn)而獲得了2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）。
在運(yùn)行I和運(yùn)行II的過(guò)程中，LIGO后來(lái)與室女座探測(cè)器連接，發(fā)現(xiàn)了5個(gè)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(shí)候，科學(xué)家已經(jīng)用引力波天文學(xué)探測(cè)到了5個(gè)合并的黑洞和一對(duì)合并中子星，這是一個(gè)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(shí)空結(jié)構(gòu)。一種新的理論必須與廣義相對(duì)論完全相同；它必須做出新穎獨(dú)特的預(yù)測(cè)。由于LIGO的觀測(cè)，我們知道廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)與正確是不可區(qū)分的。
贏家1：廣義相對(duì)論
愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論在1915年首次提出，愛(ài)因斯坦的理論對(duì)時(shí)空與物質(zhì)/能量之間的關(guān)系做出了明確的預(yù)測(cè)，其中包括一個(gè)新的預(yù)測(cè)：關(guān)于引力漣漪通過(guò)空間本身的結(jié)構(gòu)傳播。任何在時(shí)空中運(yùn)動(dòng)的物體，其曲率都在改變，應(yīng)該會(huì)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(guò)的時(shí)候扭曲空間。100年來(lái)這一預(yù)測(cè)一直未被證實(shí)，直到兩顆LIGO探測(cè)器開(kāi)始看到它們的第一次真實(shí)事件。
今年早些時(shí)候觀測(cè)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(gè)單一的事件引力波和光的到達(dá)時(shí)間相差不超過(guò)10^15分之1秒，這證實(shí)了相對(duì)論的預(yù)測(cè)，即引力的速度等于光速的速度，達(dá)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(yuǎn)。中微子是在第一個(gè)光信號(hào)發(fā)出的數(shù)小時(shí)前到達(dá)的，這一事實(shí)使我們了解到，光通過(guò)恒星的層來(lái)傳播超新星的時(shí)間比它對(duì)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(yùn)動(dòng)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(diǎn)認(rèn)為，有很多重力和光線不匹配的例子是因?yàn)閻?ài)因斯坦的廣義相對(duì)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(wèn)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(wú)質(zhì)量粒子以光速運(yùn)動(dòng)，包括光子、膠子和引力波，它們分別攜帶電磁、強(qiáng)核和引力相互作用。來(lái)自GW170817的引力波和電磁波的到達(dá)時(shí)間幾乎完全相同，這一點(diǎn)非常重要，特別是考慮到它們?cè)谕ㄟ^(guò)暗物質(zhì)產(chǎn)生的相同的引力勢(shì)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(guò)這個(gè)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(duì)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(gè)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(lái)看，LIGO觀察發(fā)現(xiàn)光速在宇宙時(shí)間變化的觀點(diǎn)受到了巨大的沖擊。
在這張哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的圖像中，許多紅色的星系都是巨大的MACS J1149.6+ 2223星團(tuán)的成員，這個(gè)星系創(chuàng)造出背景星系的扭曲和高度放大的圖像。一個(gè)大型的星系團(tuán)（星系核中心）將一顆爆炸的超新星的光分解成4個(gè)黃色的圖像(箭頭)，由于時(shí)空的彎曲，它們的到達(dá)時(shí)間有所差異（被延遲了）。圖片版權(quán)：哈勃太空望遠(yuǎn)鏡/歐空局和美國(guó)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(hào)的到達(dá)時(shí)間應(yīng)該是延遲的。事實(shí)上光波和引力波的到達(dá)延遲了相同的量，這為暗物質(zhì)提供了進(jìn)一步的證據(jù)，特別是考慮到在光波中通過(guò)引力透鏡已經(jīng)觀測(cè)到超新星，證明了暗物質(zhì)延遲了光信號(hào)的到達(dá)時(shí)間。如果沒(méi)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(tái)提供了暗物質(zhì)是真實(shí)的進(jìn)一步獨(dú)立的證據(jù)（證明暗物質(zhì)是真實(shí)存在的）。
盡管在LIGO敏感質(zhì)量范圍內(nèi)對(duì)黑洞的限制看起來(lái)很明顯，但根據(jù)LIGO結(jié)果對(duì)超新星的分析表明，在這個(gè)范圍內(nèi)不超過(guò)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(gè)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(méi)有任何證明機(jī)制可以產(chǎn)生大量的黑洞，但卻沒(méi)有改變我們宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的其余部分，因此觀測(cè)的責(zé)任是將一個(gè)想法排除在外。在此之前，一系列的限制來(lái)自于各種各樣的宇宙源，但是在10~100個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量范圍內(nèi)的黑洞的發(fā)現(xiàn)使人們重新認(rèn)識(shí)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(gè)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(shí)驗(yàn)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(duì)稱(chēng)
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(jiàn)的候選人是WIMP：弱相互作用的大質(zhì)量粒子。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（我們尋找碰撞時(shí)缺少質(zhì)量/能量的地方）以及隔離式后坐探測(cè)器正在進(jìn)行廣泛的直接探測(cè)搜索?，F(xiàn)在這些粒子的界限如此之大，超對(duì)稱(chēng)的WIMP原本是為解決其他問(wèn)題（如物理層次問(wèn)題）而設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)的時(shí)候，對(duì)于WIMP來(lái)說(shuō)，看起來(lái)很?chē)?yán)峻。
一個(gè)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(wàn)倍，這個(gè)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(méi)有解釋第一個(gè)（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(gè)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(lèi)型，左性和右性，在蹺蹺板上平衡，右手類(lèi)型有一個(gè)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(gè)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(lèi)型：中微子雙β衰變。
當(dāng)一個(gè)原子核經(jīng)歷雙中子衰變時(shí)，通常會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)電子和兩個(gè)中微子。如果中微子服從這個(gè)蹺蹺板機(jī)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)正在尋找這一點(diǎn)，但更令人信服的是，這是一個(gè)需要解釋的現(xiàn)象，即使它不是暗物質(zhì)問(wèn)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)單一類(lèi)型的實(shí)驗(yàn)/觀測(cè)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(gè)LIGO探測(cè)器（GW150914（深綠色），GW151226（藍(lán)色），GW170104（洋紅色）） 觀測(cè)到的三個(gè)證實(shí)的黑洞合并事件的可能位置。和處女座和LIGO探測(cè)器觀察到的第四次確認(rèn)的檢測(cè)（GW170814，淡綠色，左下）。也顯示（以橙色）是較低的顯著事件LVT151012。三個(gè)探測(cè)器將使我們能夠探測(cè)和識(shí)別引力波事件的位置，比僅僅兩個(gè)更精確。圖片版權(quán)：LIGO / Virgo / Caltech / MIT / Leo Singer（銀河映像：Axel Mellinger）
現(xiàn)在說(shuō)暗物質(zhì)到底是什么還為時(shí)過(guò)早，但很容易就能看到過(guò)去兩年里什么東西看起來(lái)更好。廣義相對(duì)論已經(jīng)通過(guò)了另一種非常嚴(yán)格的測(cè)試：引力波是真實(shí)的，攜帶能量，具有屬性(振幅、頻率、紅移、偏振等)，它們被預(yù)測(cè)有，并以光速運(yùn)動(dòng)。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(duì)稱(chēng)的WIMPs，看起來(lái)越來(lái)越不可能。
通過(guò)插圖的大尺度投影是z = 0的體積，以最大的星系團(tuán)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(méi)有暗物質(zhì)，宇宙的大規(guī)模結(jié)構(gòu)是無(wú)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(cè)在這個(gè)想法中沒(méi)有做任何事情來(lái)打破任何漏洞。當(dāng)你把完整的證據(jù)組合在一起時(shí)，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(wèn)題的關(guān)鍵，但是物質(zhì) - 反物質(zhì)不對(duì)稱(chēng)性可能與暗能量也是如此。這是基礎(chǔ)物理的變革時(shí)期，宇宙最大的宇宙尺度上的直接觀測(cè)，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(cè)，我們可能比以往更接近理解我們的黑暗宇宙。
知識(shí)：科學(xué)無(wú)國(guó)界，博科園-科學(xué)科普
