暗物质，宇宙中最著名的隐形房客，据信构成了宇宙中大部分物质——然而没人能看见它、触摸它，或让它回复邀请函。与普通物质不同，它拒绝与光或电磁力互动，只留下引力作为探测其存在的唯一已知方式。现在，研究人员认为碰撞的黑洞可能最终给这种难以捉摸的物质一个现身的机会。
麻省理工学院和几个欧洲机构的物理学家开发了一种方法，来发现隐藏在引力波中可能的暗物质信号——引力波是当黑洞等大质量物体螺旋合并时产生的时空涟漪。如果这些黑洞在碰撞前穿过稠密的暗物质云，产生的引力波可能携带这种相互作用的微妙痕迹，就像窗户上的宇宙手印。该团队使用来自LIGO-Virgo-KAGRA（LVK）的公开数据测试了他们的方法，LVK是监测黑洞合并和其他遥远宇宙事件的国际引力波观测站网络。
研究人员分析了LVK前三次观测运行中的信号，重点关注迄今探测到的28个最清晰的引力波事件。其中27个事件的信号与科学家预期黑洞在真空中合并的结果相符——真空中的常规操作。但一个名为GW190728的信号看起来不同。根据团队的分析，该引力波的模式可能包含与暗物质相互作用的证据。研究人员强调这不算确认的发现——更像是宇宙冷案中的一个有希望的线索。
“我们知道暗物质就在我们周围。它只需要足够稠密，我们才能看到它的影响，”麻省理工学院物理系博士后Josu Aurrekoetxea说。“黑洞提供了一种机制来增强这种密度，我们现在可以通过分析它们合并时发出的引力波来搜索。”该发现发表在《物理评论快报》上，合著者包括Aurrekoetxea、比利时鲁汶大学的LVK成员Soumen Roy、阿姆斯特丹大学的Rodrigo Vicente、伦敦玛丽女王大学的Katy Clough和牛津大学的Pedro Ferreira。
暗物质仍然是物理学最大的尴尬之一——科学家推断其存在是因为星系周围的引力比可见物质单独能解释的更强，而引力透镜的观测显示有额外的质量弯曲光线。当前估计表明暗物质可能占宇宙物质的85%以上，但研究人员仍然不知道它到底是什么。一种提议的形式涉及极轻的粒子，称为“轻标量”粒子，理论表明它们可以在黑洞附近像协调的波一样行为。科学家认为，当这些波遇到快速旋转的黑洞时，黑洞的旋转能量可以转移到暗物质波中，显著增加其密度——这一过程称为超辐射，被比作将奶油搅打成黄油。（我们不确定暗物质尝起来像黄油，但这个类比成立。）如果密度变得足够高，暗物质可能改变黑洞碰撞时产生的引力波。
为了研究这一点，研究人员构建了多种条件下黑洞合并的详细模拟，改变黑洞的质量和大小、周围暗物质的量及其密度等因素。利用这些模拟，团队预测了如果黑洞在稠密暗物质环境中而非真空中合并，引力波会如何出现，并解释了这些波在穿越数百万光年到达地球时如何变化。将他们的预测与实际LVK观测结果比较，GW190728是28个事件中唯一一个显示出异常的事件。