現代宇宙學中最大的困惑之一是暗物質的存在，它構成了宇宙中的大部分物質。一個國際科學家團隊最近的研究利用引力波來探測暗物質的性質。這項研究最近發表在《天體物理學雜誌通訊》上。一些天文觀測已經確定了暗物質的存在，它只通過引力與常規物質發生作用。
暗物質不發出任何光，因此逃避了直接的天文觀測。銀河系，包括我們自己的銀河系，都被暗物質的光環所包圍，其大小比可見的銀河系延伸得更遠。
粒子物理學的標準模型描述了構成所有正常物質的所有基本粒子。標準模型沒有描述的粒子可能存在於宇宙中，並可能構成暗物質。在過去的幾十年裡，一些大型實驗一直試圖探測這種難以捉摸的粒子，但沒有成功。
另一種可能性是，暗物質由大量的大質量和緊湊的物體組成，如原始黑洞。這種黑洞與天文學家通常觀察到的黑洞不同，後者是由大質量恆星死亡產生的。原始黑洞形成於宇宙早期，可能存在於各種質量的黑洞中。它們可能像小行星一樣輕，也可能重達數萬億太陽質量。
然而，天文學家還沒有對原始黑洞進行結論性的探測。另外，各種天文觀測也制約了原始黑洞的丰度。例如，這種黑洞可以彎曲來自遙遠恆星的光線；這種現象被稱為引力微透鏡。到目前為止，儘管科學家們進行了廣泛的搜索，但仍未成功觀測到由這類黑洞產生的微光現象。這意味着比太陽輕得多的黑洞，會引起星光的微透射。而這是很罕見的，即使它們存在，它們也只佔暗物質的很小一部分。儘管如此，其他一些質量的黑洞很有可能對暗物質有所貢獻。
引力波的微透鏡作為暗物質的一個新探測器
最近對引力波的觀測為天文學家提供了一種觀察宇宙的新方法。引力波是時空中以光速傳播的漣漪。位於美國和意大利的LIGO和Virgo觀測站，在過去幾年中觀測到了大約一百個引力波信號。
根據愛因斯坦的理論，引力波也會被源頭和觀察者之間的大質量物體彎曲。如果相當一部分暗物質是以黑洞的形式存在，它們應該在觀測到的信號中引起微透鏡效應。微光效應將以科學家可以精確計算的方式扭曲引力波。然而，國際團隊無法在LIGO和Virgo觀測到的信號中觀察到任何這種扭曲。
目前的工作是利用在引力波信號中沒有觀測到這種透鏡效應來評估暗物質中有多少部分可能是黑洞的形式。引起引力波微透鏡的黑洞比引起光的微透鏡的黑洞質量要大得多。科學家們得出結論，只有不到一半的暗物質可能是質量範圍在100到100000太陽質量的黑洞形式。這只是一個上限；實際的部分可能要小得多。
未來的觀測思路
目前從引力波透鏡觀測中得到的約束與從其他天文學測量中得到的約束相比並不那麼嚴格。其他的觀測如分析宇宙微波背景的結論告訴我們這種大質量的原始黑洞可能只貢獻了暗物質的一小部分。然而，有兩個理由可以讓科學家對這種方法感到興奮。首先，每一次觀測都伴隨着自己的誤差；對於科學家來說，使用不同的觀測和實驗得出相同的結論是非常重要的。第二，在不久的將來，引力波觀測將能夠提供更好的約束。
在接下來的幾年裡，人類建設的LIGO和Virgo，以及即將到來的KAGRA和LIGO-India等探測器將觀測到成千上萬的引力波信號。如果科學家們在這些引力波信號中沒有觀察到任何微透鏡的特徵，他們將能夠得出結論，暗物質中只有非常小的一部分可能是以這種重黑洞的形式存在。另一方面，如果相當一部分的引力波信號含有透鏡的特徵，這將是備受追捧的原始黑洞的有力證據。無論是哪種方式，引力波的微透鏡都為探測暗物質的性質提供了一種獨特的方式。