空无一人的游乐园中，旋转木马快速的旋转着。突然，凭空出现一群小孩跳上木马，从旋转木马获得高速后，又集体跳下，一哄而散，只留下转速骤降，缓慢旋转的木马…这看似荒诞的场景，却是理论预测可能在宇宙中随时发生的事。其中旋转木马指的是什么？凭空出现的孩子们又代表了谁？

生活的周围，我们能够感受到（看到、摸到）某个东西的存在。是因为构成我们周围世界的粒子，几乎都会透过电磁力互相作用。但是在广阔的宇宙中，这样的物质只占总数的15%，剩下85%的物质，我们摸不到、看不到，因此被称为“暗”物质。科学家透过天文观测证据，推测在宇宙中必须存在庞大数量的暗物质，它们提供的重力，使各个星系不至于分崩离析。因此，暗物质是种“我们知道它应该存在，但又不知道它是什么”的东西，是当下最前沿的物理学研究在尝试明白的重要议题。关于暗物质的真面目，目前有各种物理模型尝试描述，其中一模型预测了一种假想粒子：“极轻玻色子”（1）。

寻找极轻玻色子

在基本粒子中，电子的质量已经算是较轻的。而极轻玻色子，它的质量大约只有电子质量的10亿分之一，因此称它为“极轻”，和其他理论模型预测的大质量暗物质候选人区隔。由于他们几乎不跟周围的物质发生交互作用，因此到目前为止，科学家尚无法确认这种粒子究竟存不存在。如果存在，那它们很有可能就是暗物质的真面目。

面对这种未知，科学家们是如何寻找暗物质的呢？其中一种策略是“排除法”。想像我们有天回家时发现手机不见了，理论上来说，手机可能出现的地方有无数个，但我们会透过回忆、亲朋好友的描述，来限缩手机可能出现的范围，如此就能避免海底捞针的窘境，大大增加了找到的可能性。根据理论推估，极轻玻色子的质量范围可能落在-电子伏特这么庞大的范围之中。科学家目前正尝试用各种方法，有的经由设计精密的实验对特定质量范围进行地毯式搜索，有的透过天文观测数据尝试去限缩可能的质量范围。在一篇论文中，麻省理工学院-激光干涉引力波天文台（LIGO）实验室的科学家，利用“黑洞”来搜寻这种极轻粒子。这种概念听起来十分不可思议，黑洞的质量至少是电子的倍，比极轻玻色子的质量至少大了70个数量级，作为对比，一个成年人和太阳质量大约只差了30个数量级。如此一个超级巨型的天体，是如何与微观世界的基本粒子扯上关系的呢？这要提到量子理论预测的神奇现象：“超辐射（Superradiance）”。

超辐射

量子理论告诉我们，在非常小的尺度下，古典理论将会失效，我们不再能将粒子视为一个单一质点。这个尺度被称为康普顿波长（ComptonWavelength），它和粒子的质量成反比。质量极小的极轻玻色子，所对应的康普顿波长则非常大。对于特定质量的玻色子，其康普顿波长会和黑洞的尺寸差不多。当这个条件满足，超辐射便会发生：黑洞附近强大的重力场，从真空中产生数量庞大的玻色子向外辐射出。这些玻色子，会将黑洞的能量带走，使其自旋减慢。根据科学家的估计，这个减速作用可以持续数千年，使黑洞的自旋速度明显减慢。

黑洞的自旋速度，可以透过分析LIGO侦测器信号得知。LIGO侦测器主要侦测黑洞、中子星互相环绕、合并所放出的微弱重力波信号。研究团队分析了45组黑洞互绕事件，这些黑洞具有10-70倍太阳质量。这对应到和它们发生交互作用的玻色子质量介于电子伏特。其中有两个黑洞，被发现以非常高的转速在旋转着。若是这个质量范围的玻色子确实存在，那这些黑洞速度应该被减速至一半以下。因此，这两个高转速黑洞的存在，暗示着没有与其发生交互作用的极轻玻色子。那有没有可能黑洞的确被减速，但存在其他加速机制使黑洞又重新被加速？例如由吸入大量吸积盘（2）物质，获得能量及动量？研究团队也对此进行了仔细的估算，发现各种重新加速的机制，皆要耗费极长时间才能加速到现在的速度，这种可能性微乎其微。因此，这两个高转速黑洞的存在，基本上可以排除了特定范围的“极轻玻色子”质量范围。

这个实验协助缩小了搜寻极轻玻色子的质量范围，也是首个利用黑洞重力波信息寻找暗物质的尝试，可以说是一个重力波实验与粒子物理很棒的跨界合作！

注释：

1.在量子力学中，粒子可被分为“费米子”、“玻色子”，两者具有截然不同的性质。若以比喻的说法，费米子较为孤僻，不喜欢大量群聚；玻色子则恰恰相反。

2.在黑洞周围，受黑洞强大重力吸引的物质所形成的圆盘状结构。