暗物質---宇宙深處的神秘力量

暗物質

暗物質是什麼？

全宇宙的恆星正在爆炸，這些是宇宙的大災難。但這些科學家認為爆炸是太空深處的燈塔，照亮了一場極大規模的戰爭。交戰雙方是兩股神秘的無形力量。其中一種讓我們存在，另一種則讓我們毀滅。如今我們也陷入掙扎，試著了解這些龐大的力量，並了解黑暗之外的世界。

你、我、太陽與恆星，我們所見的事物都有個共通點，我們都是由原子組成的。已知宇宙的物質幾乎都是由原子組成。但宇宙還有更多奧秘，我們正開始發現這一面。我們的身體、家園、世界、甚至太空里廣大的虛空，都充滿了一種神秘物質，這種物質十分奇特。過去許多科學家懷疑其存在，但是在2009年，超敏感的粒子探測器首度發現這些物質。這是驚天動地的發現，讓我們必須重新檢視我們在宇宙的地位，以及我們最終的命運。

發現暗物質

1960年，一位名叫Vera Rubin的天文學家決定去探索很少人研究的太空領域。她敘述道：那時她有兩個孩子，一個兩歲，一個四歲，她不想和其他天文學家一樣競相研究熱門領域。Vera 知道如果要研究黑洞之類的熱門領域，其他天文學家會比她更早發表成果，因此她轉而研究冷門的天文學課題。當時，她也不確定自己為何要研究星系，但她覺得星系非常神秘，當時的她們了解也不多。尤其是關於星系的運動。起初，Vera用望遠鏡觀察銀河系最近的鄰居——仙女座星系。跟多數星系一樣，恆星密集地聚在仙女座中心。Vera預期看到無數恆星圍繞著中央運行，就像太陽系的行星一樣，遵守牛頓的重力法則。恆星離中心越遠，就運行得越慢。

年輕時的Vera

Vera的父親在40年前退休時為她製作了一個太陽系模型，在這個模型中可以觀察到牛頓的理論。水星、金星、地球和火星。火星的速度最慢，其次是地球，水星的速度最快。因為火星受到的重力遠小於水星受到的重力。所以，火星的運行速度較慢。Vera在觀察星系時，認為恆星也會以這種模式運行，離中心越遠，運行得越慢。但是結果並非如此，她們花了兩年左右的時間，才測量到90個仙女座恆星的速度。結果非常驚人，她們發現所有恆星的運行速度完全相同，都是每秒250公里。接下來的幾年，Vera觀察的星系都出現這種不可思議的結果，從星系中心到邊緣的恆星運行速度都一樣。這跟太陽系的現象完全不同。唯一的解釋就是，不管恆星離星系中心有多遠，所受的重力都不會減弱。然而，這是不可能的，除非星系的質量大於天文學家的觀察結果。合理的解釋是星系一定有大量的無形物質，事實上或者90%-95%星系裡的物質都是無形的。

太陽系模型

這是真正具有創新意義的觀念，星系也許充滿著看不見的物質。科學家只能把它們稱為暗物質。但這麼激進的理論需要確鑿的證據。不久就有許多天文學家檢視Vera的觀察結果。有的人很想推翻她的理論，有的人則很想了解這神秘的暗物質究竟是什麼，又存在於哪裡。這實在很神奇，也很有趣。Vera選了這塊領域，因為她想研究其他人不在乎的東西。但突然間有很多人和她一起研究，他們提出看法與觀察結果，讓這塊領域變得熱門。

什麼是暗物質？

在大西洋對岸的英格蘭，頂尖的宇宙學家Carlos Frenk開始研究暗物質的觀念。但他用的不是望遠鏡而是方程式。他將牛頓重力法則輸入非常精密的計算機模擬程序。他介紹說這台宇宙機器是非常大的超級計算機，它的唯一目的就是模擬宇宙。這裡有1300台計算機同時運作，即使如此，要模擬宇宙的一小部分也要花好幾個月。這種強大的運算能力超乎我們的想像，但這是模擬宇宙的必要條件。

起初，Carlos進行模擬時使用的是科學界公認的初期宇宙成分。也就是虛空里的巨大氣體雲。然後他就等著看這台宇宙機器是否會製造出我們看到的星系。Carlos道：我們只用看得見的物質，在計算機里模擬星系，結果會如何？恆星形成、演化、最大的恆星爆炸成為超新星，進而散發極大能量。但是重力不足以留住這些氣體，所以星系會自行消散，氣體會消散殆盡。但宇宙並不是這樣形成的。

因此，Carlos將暗物質加入方程式。他一點一點地增加，最後他增加的暗物質是可見物質的5倍。幾周後，宇宙機器出現奇怪的現象。Carlos發現這次計算機模擬星系的形成用的是無形的暗物質和氣體，大爆炸發生約十億年後，形成團狀暗物質。氣體進入這些團狀暗物質，形成恆星。無形暗物質的重力將這些團狀物凝聚起來，融合成更大的結構。所以百億年後就形成美麗的螺旋星系。我們的銀河系就是這麼來的。

模擬星系形成

Carlos證明如果有大量的暗物質就能形成星系。但如何去證明真有其事？

驗證暗物質

在蘇格蘭的愛丁堡，Richard Massey仍在設法解開這個問題。他創立了一種全新的方法探測暗物質——重力透鏡。多虧了愛因斯坦，他用了全新角度觀察太空，他認為太空是可彎曲變形的物質，受重力影響。凡是有質量的恆星或星系，都能扭曲太空的結構，就像透鏡一樣。太空結構一扭曲，通過的光線也會扭曲。

暗物質不會反射光線，也不會吸收或發射光線。光線會通過暗物質，不受影響。所以，我們要觀察其他地方。像是暗物質如何用重力影響可見物質。光線會因為扭曲的時空而偏斜，聽起來很瘋狂，其實這是很熟悉的現象，我們常看到光線扭曲。透過酒杯的底部就能看到。雖然酒杯底部是透明的，光線可以直接通過，但是背景影像扭曲了，所以光線也扭曲了。暗物質就像這樣，會借著各種物理效應扭曲光線，但是最後的結果都一樣。星系前方若有暗物質，影響就會扭曲。

這兩年來Richard帶領各國的天文學家使用一批望遠鏡觀察一部分夜空，尋找所有看得見的重力透鏡圓弧。「這個畫面是重力透鏡的影像，」Richard道：「這些黃點都是離我們較近的星系，這些奇怪的弧形其實是遠方的星系。遠方星系的光線會通過較近的黃點也就是前景星系。因為前景星系會扭曲太空，也會扭曲遠方星系的光線。因此，遠方星系的影像就變成弧狀的光。」

Richard運算遠方星系的光線遭到扭曲的程度，再跟前景星系的可見質量相比。他發現實際的弧度比理論上要大得多。因此，他推論無形的暗物質一定遍布在所有的星系裡。從重力透鏡的影像里，Richard他們發現暗物質的數量是正常物質的5倍，他們看到的還只是宇宙的冰山一角。宇宙里的大部分物質都是暗物質。

無論天文學家觀測哪裡，他們都開始感受到大量的暗物質。但Richard打算再邁進一大步，他要首度拍下這個宇宙巨人的影像。他拍下後，我們就發現暗物質對我們的重要性超乎我們的想像。

Richard花了幾年時間設法證明暗物質的確存在，這種無形的物質就像形成一塊布裹住宇宙所有的星系。他非常仔細地探索一小塊宇宙，以繪製第一張暗物質的地圖。「這張實際的天空照片是哈勃太空望遠鏡拍下的，上面有無數的星系。我們可以非常精準地測量這些星系的形狀。以及星系形狀的扭曲程度。我們觀察星系光線，通過暗物質時的扭曲程度，就能畫出暗物質的地圖。

光線通過星系受到扭曲，最後抵達地球，同時也勾畫出暗物質的地圖輪廓。Richard讓這塊無形的宇宙剖面圖現形，「這是前所未見的三維地圖，顯示出宇宙的真實面貌，以及宇宙的主要成分。如果有外星人過來觀察我們的宇宙，如果它們可以看到我們宇宙的所有成分，他們就會看到這幅景象。」這就像是宇宙暗物質的湯，最濃稠的地方就是星系形成的位置。

這就是Richard繪製的暗物質地圖，左邊的圖片是宇宙星系與氣體的實際位置，這些是正常物質。有巨大星系團的地方，就有高濃度的暗物質。這邊有一個巨大星系團，這邊就有對應的暗物質光圈環繞在四周。重疊這兩張圖片，能發現兩者的位置相同。正常物質存在於暗物質的支架里。

暗物質的特性

Richard觀察了龐大宇宙的一部分，而Frank則用計算機模擬出整個宇宙。

Frank：「在這裡可以看到暗物質形成的複雜樣式,這個網路充滿細絲與團狀物，我們稱之宇宙網。在團狀的暗物質里，會形成像銀河系一樣的星系，氣體會在裡面冷卻凝聚，最後形成恆星。暗物質就像宇宙的骨架，有了這種骨架才會出現星系。」

這背後的含意相當驚人，有了暗物質才會形成今天的一切。沒有暗物質就沒有星系，也不會有恆星、行星，結果就不會有生命。暗物質在40年前還是個奇特的概念，而如今已不只是個概念了。原來暗物質對我們的存在十分重要。而我們正在逐漸了解其原理。我們知道暗物質和光沒有交互作用，但是會受到重力影響。

到了2004年，望遠鏡拍下了這個畫面，讓我們了解暗物質的新特性。在40億光年之外，就是已知宇宙1/3的距離，兩個星系團發生碰撞，激發出驚人的能量。數以兆計的恆星以3000里的秒速交錯而過。星系團受震波扭曲，變成子彈的形狀。此事件稱為——子彈星系團碰撞。這種天文奇觀讓天文學家相當興奮，更令人振奮的是，由此可知暗物質比我們想像的還要奇特。子彈星系團其實是兩個獨立的星系團，兩者都有暗物質和正常物質。這兩個星系團相撞時，就像是宇宙里的巨大車禍。正常物質的速度減慢，並逐漸散發出X光，然後速度開始減慢。最後停在碰撞點附近。但暗物質在撞擊後繼續運動，最後會比正常物質距離碰撞點更遠。

要了解整個過程，我們可以通過實驗來表述。在這個實驗里，我們用車代表正常物質，然後加上另一個要素——粒子（代表暗物質）。當粒子在碰撞時有什麼不同反應？正常物質發生碰撞會停下來，暗物質就完全不同，根本不會有交互作用，它們在碰撞時會直接穿過，繼續移動。然後我們看到，暗物質比正常物質離碰撞點更遠。子彈星系團就是最好的證據，顯示了數十年來天文學家觀測到的無形物質和正常物質相比，性質相當不同。這是全新的發現，科學界所知不多。暗物質不受正常物質影響，也不受自身影響。兩團暗物質相撞時，會直穿彼此，沒有產生作用。在半個宇宙外的天文災難，證明了暗物質的確存在。而且它們不同於所有我們已知的事物，幾乎像幽靈一樣，看不見，摸不著。

如何找到「暗物質」？

我們活在物質與光的宇宙里，物質讓我們存在，光延續我們的生命。如今我們知道這只是一小部分分真相。我們的宇宙還充滿一種神秘物質——暗物質。它看不見，摸不著，卻到處都是。每秒都有無數暗物質粒子通過我們的身體，如果科學家可以抓住這種粒子加以研究。那麼，我們能否想出辦法一窺這種難以捉摸的物質？有些科學家認為這是有可能辦到的。他們深入探索地球的黑暗內部。

過去100年來，物理學家發現所有物質都是由20種基本的次原子粒子組成。像是玻色子、電子、夸克和微中子。但物理學家也懷疑還有其他的罕見粒子。暗物質是什麼，相關理論有很多。科學家正在逐一研究和排除錯誤的理論。目前暗物質的主流理論是超對稱粒子。也就是說，我們所有已知的正常粒子都有相對應的粒子。這組多出來的粒子存在暗物質里，不會和正常物質起作用。只會有相當微弱的重力。

科學家把這些暗物質叫做大質量弱相互作用粒子（WIMP）。這些粒子和正常物質的原子幾乎沒有交互作用，因此很難截取它們並加以研究。此外，因為日常充滿了正常物質的粒子，科學家很容易就會誤取正常粒子，而錯過了WIMP粒子。Dan Bauer找到了取得它理想的地點。在明尼蘇達州廢棄鐵礦廠的地底半里處。這或許並不是物理研究機構的首選地方，但選這裡的理由是因為他想避開來自太空的宇宙射線粒子。地下半里的岩床足以抵擋背景雜訊，要找到WIMP粒子輕而易舉。但其實並非如此，WIMP粒子偵測器外面有厚達數尺的金屬與重塑料護罩。山洞的岩石和周圍的物質就連我們身體都帶有微弱的放射線。要是這些粒子進入偵測器，會產生很大的背景雜訊，導致無法找到WIMP粒子。而護罩可以防止這些粒子進入偵測器。

護罩里有18個曲棍球餅大小的固態鍺晶體，用來偵測微弱振動，WIMP粒子撞到晶體時，就會產生這些振動。為了有成功的機會，晶體必須相當純凈，溫度要求非常低。

Dan：「這是固態鍺晶體的模型，這些網球就代表晶體的鍺原子。在室溫下，相對地這些原子會向彼此移動。這是我們所知道的熱能。要是把WIMP粒子丟到晶體里，根本就看不出差異。因為晶體的振動很激烈，要是我們把溫度降到絕對零度左右，此時原子就會停止運動。然後我把WIMP粒子丟進晶體，就會看到晶體振動，這就是我們在尋找的信號。」

這種粒子和普通物質幾乎沒有交互作用，每秒都有無數個WIMP粒子通過我們身體，因為它的交互作用弱，所以只會通過我們繼續前進。它們會通過整個地球，繼續前進。我們預期每年只能偵測到一、兩個這樣的粒子起作用。因此，幾率很小。為了避免誤測，他們會不作分辨地搜集資料，用的是計算機硬碟里的密封盒。在一整年裡，工作人員都不能搜查裡面的WIMP粒子信號。經過7年，耗費上千萬美金，在2009年底打開盒子，裡面是一整年的數據中，終於發現了WIMP粒子的蹤跡。這或許是第一次，我們確實找到了這種難以捉摸的暗物質。這或許讓我們能更進一步了解暗物質。但Dan並不完全肯定他找到的就是WIMP粒子。因此，他們得繼續找更多的粒子。他還需證明找到的粒子是WIMP粒子。

找到WIMP粒子對我們有什麼意義？

要是我們找到這些粒子，就會出現全新的物理領域。如果宇宙里真有超對稱粒子，這種粒子有自己的交互作用和特性，同時也是宇宙的主要成分，那這就是全宇宙的現象。我們的物理現象反而是旁枝末節。

暗物質與宇宙

但正當科學家覺得他們越來越了解暗物質的時候，他們有發現很奇怪的現象。或許暗物質能夠讓星系形成，但實情不只如此。在21世紀初，太空探測器發現黑暗中還有別的東西。暗物質將一切結合起來，但是有一股力量或許會摧毀整個宇宙。

如今我們知道可見的宇宙就像浪花，漂在暗物質的大海上。天文學家發現自己漂浮在這片陌生的海上，過去20年來，Saul都在研究這片海域，設法確定暗物質對我們最終的命運有何含意。宇宙會永遠存在嗎？還是會在某天突然停止，整個崩塌？Saul在讀物理時就非常想了解這些問題。他決定追隨前人腳步，20世紀最傑出的天文學家Edwin Hibble。

Edwin Hibble

在1920年代，Hibble開始詳細觀察夜空里的數十個星系，但他覺得有件事很奇怪。幾乎全部星系都是紅色的，物體遠離我們的時候，音調會變低，光線則會變紅。Hibble推論宇宙里所有的星系正在快速離我們遠去。結論只有一個，宇宙一定是在不斷擴張。但他不知道擴張速度是多少，原因又是什麼，因為接近我們的暗淡星系看起來就像遠離我們的明亮星系。因此他無法判斷距離。

困難的地方是你必須知道這些星系實際上有多亮，才能判斷有多遠。如果你在海上坐船，你在濃霧裡看到遠方有燈塔，有可能是燈塔的光線很亮，但是離你很遠。也有可能是燈塔的光線很暗，其實就在眼前。這個根本的問題在前幾個世紀一直困擾著天文學家。但是這個問題有辦法解決，自從1980年代天體物理學家就知道有種特殊的恆星爆炸，叫做1A超新星。比太陽稍大的恆星快要用盡燃料的時候，會變得更小，更暗，更緊密。這個階段稱為白矮星。白矮星已經在垂死邊緣。但是它仍然有可能復活，只要找到新的燃料就行。如果白矮星屬於一個雙星系統，鄰近的恆星就能提供燃料。一旦白矮星的重力從鄰近恆星獲取足夠質量，就再也不能回頭，只會爆炸。此時它的溫度超過10億度，它多數的氣體會擴散到太空中。

1A超新星完全符合我們的目的，因為這類恆星的質量相同，爆炸達到巔峰時會產生相同的亮度。光亮會持續幾周，在幾個月後逐漸黯淡，如果我們能觀察到這種現象，儘管爆炸在數10億年前已經發生了，我們還是能夠得到標準，來判斷星系的距離。

相同質量所產生的明亮爆炸總會發出等量的光線，用看到的光線判斷超新星離我們有多遠，在理論上應該可行。但是實際上有問題，這個想法聽來很棒，但是非常難執行。1000年里只有幾個超新星，每個星系都是如此，人們無法知道哪一個會爆炸。

因此很難安排到世界上最大的望遠鏡，那是要在幾個月前預約的。Saul與他的工作團隊靈機一動，每隔幾周就拍攝相同的夜空廣角照片。再用自動化程序在裡頭尋找超新星的閃光。如果研發的計算機程序夠精密，就能在他們搜集的照片里比較數量龐大的星系，看裡面是否有三周前從未出現的閃光。如果有的話，就可能是超新星。

在短短5年內，Saul團隊在38個星系裡發現38個恆星變成超新星。他們能發現超新星爆炸，因而成為傳奇。最後，我們得到足夠數據評估宇宙的現況。提出了天文學上自Hibble以來最驚人的發現,Saul：「我們一直以為宇宙在擴張，而宇宙間的物質會因重力而互相吸引，因此重力會減緩擴張速度，我們一直想知道這種現象會持續多久。會不會有一天就突然停止了？但我們發現上述問題都不存在，擴張速度根本沒變慢，顯然宇宙擴張的速度反而越來越快。Saul的團隊意外發現星系間有股無法解釋的互斥力，因此宇宙會逐漸擴張，他們稱之為暗能量。顯然宇宙並不像我們想的一樣以重力互相吸引，而是受到某種我們從未研究過的東西控制——暗能量。暗指的是我們對它一無所知，而不是東西的顏色。這股能量會加快宇宙擴張的速度。

暗能量與宇宙

2001年夏天，三角洲二號運載火箭攜帶一個小型探測器進入太空，探測器名為威爾金森微波各向異性探測器，是為了觀察最遙遠及最遠古的宇宙，並研究大爆炸留下來的微弱回聲。

David Spergel是威爾金森微波各向異性探測器科學家。我們通過探測器看到的是宇宙快照，非常接近大爆炸時期，當時宇宙非常簡單，就像為宇宙拍嬰兒照一樣。探測器花了6個月逐漸拼湊出宇宙嬰兒時的樣貌，並偵測大爆炸的餘燼，所產生的微小波動與溫度。

宇宙初期就如同平靜的湖面，非常均勻而平滑。在初期的宇宙里，到處都有微小的密度變化，這些變化會產生聲波，就像湖裡的漣漪一樣。漣漪的變化取決於湖的深度和水的特性，如果湖水是水銀，漣漪就會有截然不同的變化，我們藉由漣漪移動的速率以及散開的模式，就能知道湖的特性。研究初期宇宙亦是如此。

要研究這些漣漪與大爆炸的回聲，需要分析非常大量的數據，設法計算解決複雜的方程式，最後通過1.5年時間他們以驚人的精確度說明宇宙的成分。目前，4.6%的宇宙由原子組成，暗物質則佔23%左右，特別奇怪的是72%的宇宙是由暗能量組成。暗能量幾乎佔了宇宙的3/4！

100年前，我們還以為我們的銀河就是整個宇宙，後來發現宇宙有無數的星系，就像銀河一樣但是跟我們分開。如今我們知道宇宙正在擴張，逐漸遠離我們。不僅如此，擴張的速度還越來越快。我們原本熟悉的宇宙就像家一樣，如今變成廣大無垠的虛空。

觀察黑暗徹底改變了我們對宇宙與自身的看法。構成我們的物質——原子只佔宇宙的4.6%，將近1/4的宇宙是暗物質，它讓星系得以形成，而3/4的宇宙是暗能量，這種無法解釋的能量會摧毀一切。我們的宇宙最後會不會因此滅亡？

作者：Vickychen18鏈接：https://www.jianshu.com/p/8d06fe3ace5d
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