深刻影響宇宙又難以探測的暗物質，可能比我們想像的更模糊

01-23

文：鄭娟娟

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暗物質實在是太神秘了。

一直以來，很多科學家都認為暗物質對我們的宇宙有著非常深刻的影響，它塑造了星系，甚至將「指紋」留在了宇宙大爆炸遺留下的能量中。

暗物質極難探測到。目前，由於無法直接觀察它，天文學家只好尋找別的線索，這條線索就是基於暗物質與「正常物質」（由質子、電子、中子所組成的我們能看得見、摸得到的一切物質）之間的引力相互作用。最近，美國宇航局錢德拉X射線望遠鏡的觀測結果提供了一些暗示，那就是：暗物質可能比我們曾經想像的更模糊（fuzzier）。

圖：錢德拉X射線望遠鏡

這項新的研究結果，最近被《皇家天文學會月報》接受發表，著重研究了13個星系團的X射線觀測。在介紹這項研究之前，為了做一些有益鋪墊，讓大家更多地了解有關暗物質的基本情況，筆者做了一些簡要梳理。

一．關於暗物質，人們大概了解多少？

最初，暗物質僅僅是一種猜想，經過幾十年的研究，科學家們通過數據和事實證明了暗物質的存在。科學家在計算太陽的質量時，是通過日地距離以及地球圍繞太陽公轉的速度來測算的。在使用同樣的方法計算星系的質量時，得出的結果比人們能夠觀測的星系中所有星體的總質量要大得多。

早期理論認為，暗物質就是無法觀測到的一般物質，例如黑洞和生命盡頭的恆星，但直到現在，人們仍然沒有找到足夠多的這種天體來解釋暗物質所造成的影響。

科學家們認為暗物質粒子具有無碰撞特性，簡單說，就是暗物質之間，暗物質與普通物質之間，存在的作用力非常小，甚至可以忽略不計。它們單純靠引力把彼此約束在一起，在整個暗物質暈中，做軌道運動，軌道很寬，且具有很小的偏心率。

關於什麼樣的粒子組成了暗物質，眾說紛紜，有的提出可能是大質量弱相互作用粒子；有的提出可能是光微子、中微子、希格斯微子、引力粒子；還有的提出可能是中性子，這是通過超對稱模型得出的粒子；還有的認為可能是軸子。無論是什麼粒子，目前在實驗室中，人們尚未探測到暗物質粒子。

2006年，對暗物質的研究取得新的進展，這就是著名的子彈星系團（Bullet Cluster）的例子。。哈勃太空望遠鏡、錢德拉X射線天文衛星、拉斯坎帕拉斯天文台的麥哲倫望遠鏡都捕捉到了子彈星系團1E 0657-56（子彈星系團是由兩個相互碰撞的星系團形成）的照片。這樣的大規模碰撞具有強大的威力，把原來混在一起的暗物質和普通物質撞開了，於是天文學家們直接觀測到暗物質的「影子」（利用引力透鏡效應，不是直接看到暗物質，而是看到由它產生的引力效應）。通過X射線觀測到的可見氣體大量集中在碰撞的中心（由於引力作用而集結），通過引力透鏡檢測出的不可見物質在碰撞的兩側都出現了。NASA為它們上了色，粉紅色代表可見氣體，藍色代表不可見物質。這張照片成為暗物質存在的最著名的簡潔證據。

圖片：著名的子彈星系團。版權：NASA

2007年，科學家公布了史上第一份暗物質分布圖。70多名研究人員，花了4年時間，製作了一幅三維圖像。這幅圖，也是利用引力透鏡效應繪製出來的——宇宙演化巡天（COSMOS）分析了500多例哈勃太空望遠鏡拍攝的照片，這些照片反映的都是位置上一前一後排成一條線的兩個星系或星系團，利用星系或星系團的弱引力透鏡效應進行計算，來自前景天體的光說明那裡看上去有多少物質，而對背景天體的引力透鏡效應則能夠說明，前景中實際存在多少物質，兩個數值之間的差就是暗物質。

圖片：宇宙中暗物質的3D分布圖。版權：NASA

2007年，天文學家在《天體物理學雜誌》上發表文章，稱在用哈勃望遠鏡觀測時，在遙遠的星系團中，發現了形成環狀的暗物質。

圖片：哈勃望遠鏡觀測到的暗物質環。來自：Dark matter ring in galaxy cluster Cl 0024+17 (ZwCl 0024+1652)

2013年，諾貝爾獎獲得者丁肇中教授宣布，他帶領的科學家團隊經過18年的研究產生了第一個實驗結果。利用阿爾法磁譜儀，該團隊發現了40萬個正電子。正電子（帶正電）是一種反物質，是普通電子（帶負電）的反物質。科學家們認為，正電子有可能來自同一個地方，那就是脈衝星或者暗物質。一年後，丁肇中團隊在日內瓦召開成果發布會，認為暗物質可能是宇宙射線中存在的大量正電子的來源。

圖片：阿爾法磁譜儀（AMS）

今年，加拿大滑鐵盧大學的科學家們宣布，他們已經捕捉到第一張連接星系的暗物質橋的合成圖！這張圖像證實了曾經的預言——宇宙中的星系是通過一張宇宙網（cosmic web）「連接」在一起的，而這張宇宙網則是由目前為止依然無法直接看到的暗物質所連接的。他們使用的圖像來自加法夏望遠鏡所進行的多年巡天項目。研究人員組合了來自超過23000對星系的透鏡圖像，通過使用弱引力透鏡的技術，最終他們創建了一個合成圖像，顯示了星系間暗物質的存在。研究結果顯示，在相距4000萬光年內的系統之間，暗物質細絲橋（the dark matter filament bridge）最為強大（strongest）。

圖片：暗物質細絲（以紅色顯示）將這個偽彩圖上的星系（白色）之間的空間連接起來。來源：Seth Epps＆Michael Hudson，滑鐵盧大學。

二．暗物質可能比我們曾經想像的更「模糊」

目前的標準宇宙模型將冷暗物質（cold dark matter）作為其中一個主要組成部分。科學家們認為，暗物質粒子應該和其他粒子一樣，運動或快或慢。對於那些非常輕、以接近光速運動的暗物質粒子，稱之為熱暗物質；那些比較重，運動相對較慢的，稱之為冷暗物質。

然而，冷暗物質模型指出，暗物質，以及被暗物質的引力所吸引的正常物質，應該在星系的中心聚集。但天文學家觀測到的情況並非如此，並且，根據冷暗物質模型推測，銀河系應該擁有比現在更多的衛星星系。

不過，冷暗物質模型僅僅是數個暗物質理論中的一個。

還有一種理論，模糊暗物質（fuzzy dark matter）模型認為，暗物質的質量小於一個電子的1萬億億億分之一。在量子力學中，所有粒子都具有質量和相應的波長。模糊暗物質理論將使得暗物質粒子的波長在峰值之間延伸3000光年。

具有如此長的波長，就使得暗物質不會聚集在星系的中心，這就能解釋為什麼目前為止沒有觀察到暗物質在星系中心聚集的現象。為了測試現有的暗物質理論，天文學家認為星系團是更大的測試台，因而將錢德拉X射線望遠鏡朝向數個巨大的星系團進行觀測。

結果顯示，儘管簡單的模糊暗物質模型依然不能很好地解釋對星系團的觀測，但一個更加複雜和「模糊」的模型（more complex and 「fuzzier」 model）可以做到。

在這個模型中，暗物質同時佔據了幾種量子態（occupyingseveral quantum states at once），產生了交疊的波長（createsoverlapping wavelengths），從而進一步擴展效應，改變了預期的暗物質分布，使之像一個整體一樣遍佈於整個星系團中。

這個模型的預測與天文學家對13個星系團的實際觀測更加接近，它指出，更加模糊的暗物質（fuzzier dark matter）或許是放入我們的宇宙模型里最好的暗物質模型。

不過，需要進一步的研究和精密的測量來更好地測試這個新的理論，以確保它可以真實地反映我們所能觀察到的宇宙。

本文中新消息來源：

Dark matter may be fuzzier than we thought

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