暗物質會是一種粒子?

07-04

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】人類在宇宙中所發現的一切，從物質到輻射，都可以分解成最小的成分。這個世界上的一切都是由原子構成的，這些原子是由原子核和電子組成的，原子核本身是由夸克和膠子構成的。光本身由粒子構成——光子。即使是引力波，理論上也是由引力子構成（人類也許有一天能夠創造探測到這種粒子的機器或方法）。但是暗物質呢？暗物質存在的間接證據是巨大而壓倒性的，但它也必須是一種粒子嗎？

圖註：儘管銀河系中大多數的暗物質存在於吞噬我們的巨大光環中，但每一個暗物質粒子都在引力的作用下形成了一個橢圓形的軌道。如果暗物質是它自己的反粒子，如果我們知道如何利用它，它可能是自由能的終極來源。圖片版權：ESO / L. Cal?ada

如果暗能量可以被解釋為空間本身結構固有的能量，那麼我們認為的「暗物質」是否也可能是空間本身的固有功能——無論是緊密還是鬆散耦合到暗能量？也就是說暗物質不是微粒物質，它可以滲透到所有具有（均勻或非均勻（同質或異質））重力效應的空間中？從而解釋科學家們的觀測結果——更多的是「暗質量」嗎？下面讓我們來看看證據，看看它什麼可能性：

圖註：宇宙空間的膨脹(或收縮)是宇宙中包含質量的必然結果。但是膨脹率和隨時間的變化量取決於宇宙中有什麼。圖片版權：NASA / WMAP science team

宇宙最顯著的特徵之一就是宇宙內部與擴張速率隨時間變化的相互關係。通過對許多不同來源（包括恆星，星系，超新星，宇宙微波背景以及宇宙的大尺度結構）的精確測量，我們能夠測量這兩者確定宇宙是由什麼構成的的。理論上可以想像宇宙可能是由各種各樣的東西組成的，它們對宇宙膨脹的影響是不同的。

圖註：宇宙能量密度的各個組成部分，以及它們可能佔主導地位的因素。如果宇宙弦或疇壁存在於任何可觀的量，它們將對宇宙的膨脹作出重大貢獻。圖片版權：E. Siegel / Beyond The Galaxy

宇宙的全部數據，現在我們知道宇宙是由幾方面組成的：

1、68％的暗能量，即使在空間本身膨脹的情況下也能保持恆定的能量密度

2、27％暗物質產生重力，隨著體積的增加而「稀釋」，並且不會通過任何其他已知的力相互作用

3、4.9%的正常物質（即普通物質——組成我們的身體，太陽，星系等等），會產生所有的力，隨著體積的增加而「稀釋」，力的作用下可聚集在一起，由粒子組成

4、0.1%的中微子是由粒子組成的，它們的引力和弱力是由粒子組成的，只有當它減速到足以表現為物質而不是輻射時才會聚集在一起

5、還有0.01％的光子，它們發揮重力和電磁力起到輻射的作用，並且隨著體積增大和波長拉伸而變「稀」

隨著時間的推移，這些不同的組成部分變得相對或多或少不重要，其中這些百分比代表了今天的宇宙。

圖註：一個明顯的膨脹率(y軸)與距離(x軸)的圖，與過去擴張得更快的宇宙是一致的，但現在仍在擴張。這是一個現代版的，比哈勃的原作要遠不止幾千倍。不同的曲線代表了由不同組成成分組成的宇宙。圖片版權：Ned Wright, based on the latest data from Betoule et al. (2014)

根據目前最好的測量結果，暗能量在空間中的每個位置，天空中的所有方向以及整個宇宙歷史的所有時刻都具有相同的價值和特性。換句話說，暗能量同時出現均勻和各向同性：在任何時候都是一樣的。就像我們所知道的那樣，暗能量不需要有粒子；它很容易成為空間結構本身固有的屬性。

但暗物質是完全不同的

圖註：在最大的尺度上星系聚集在一起的方式（藍色和紫色）不能通過模擬來匹配（紅色），除非包含了暗物質。圖片版權：Gerard Lemson & the Virgo Consortium, with data from SDSS, 2dFGRS and the Millennium Simulation

為了形成我們在宇宙中看到的結構，特別是在大的宇宙尺度上，暗物質不僅需要存在，還需要聚集在一起。在空間的每個位置都不能有相同的密度，相反它必須集中在過於密集的區域，需要低於平均密度，或者甚至完全不存在於低密度區域。可以從幾個不同的觀測結果中判斷出在不同的空間區域內的物質總量。以下是其中最重要的三個：

圖註：大尺度的聚類數據（點）和宇宙的預測有85%的暗物質和15%的正常物質（實線）匹配得非常好。沒有中斷表示暗物質的溫度（和寒冷）; 擺動的大小表示正常物質與暗物質的比率。圖片版權：L. Anderson et al. (2012), for the Sloan Digital Sky Survey

Top1、物質能譜：

圖註：通過引力透鏡重建的星系團Abell 370的質量分布顯示了兩個大質量瀰漫性暈圈，與暗物質和兩個合併聚類相一致，以產生我們在這裡觀測到的結果。總體而言，圍繞並穿過每個星系，星系團和大量正常物質的存在為5倍的暗物質。圖片版權：NASA, ESA, D. Harvey (école Polytechnique Fédérale de Lausanne, Switzerland), R. Massey (Durham University, UK), the Hubble SM4 ERO Team and ST-ECF

Top2、引力透鏡：

圖註：CMB峰值的結構取決於宇宙中有什麼。圖片版權：W. Hu and S. Dodelson, Ann.Rev.Astron.Astrophys.40:171-216,2002

觀察一個巨大的物體，像類星體，星系或星系團，觀察背景光如何被它的存在所扭曲。因為我們理解愛因斯坦的廣義相對論引力定律，所以光線彎曲的方式可以推斷出每個物體中存在多少質量。通過大量的其他方法可以確定在正常物質的質量：恆星、氣體、塵埃、黑洞、等離子體等。我們再次發現，平均來說85％的物質存在是暗物質，而且它分布在一個比普通物質更彌散的雲狀中，弱透鏡和強透鏡都證實了這一點。

Top3、宇宙微波背景：

圖註：對宇宙的詳細研究揭示了宇宙是由物質而非反物質構成的，暗物質和暗能量是必需的，我們不知道這些神秘的起源。然而CMB的波動，大規模結構的形成和相關性，以及現代觀測的引力透鏡都指向相同的景象。.圖片版權：Chris Blake and Sam Moorfield

如果你看一下大爆炸留下的輻射餘輝，會發現它大致是均勻的：在各個方向都是2.725 K。但是如果仔細查看細節會發現在幾十到幾百μK的尺度上，各種角度尺度上都有微小的缺陷。這些波動告訴我們一些重要的東西，包括正常的物質 / 暗物質 / 暗能量密度，但是它們告訴我們的最大的事情是當宇宙只有它當前年齡的0.003％時宇宙是多麼統一，答案是密度最大的區域比密度最小的區域密度只有約0.01％。換句話說，暗物質從一開始就統一起來，隨著時間的推移而聚集在一起！

綜上所述可以得出結論：暗物質必須表現得像一種滲透宇宙的流體（如液體等）一樣。這種流體的壓強和粘度都很低，它對輻射壓力有反應，它不會與光子或正常物質發生碰撞，它是冷的和非相對論性的，它會隨著時間的推移聚集在一起。它推動了宇宙中最大尺度的結構的形成。它是高度非齊次（非常不均勻）的，隨著時間的推移，這些不均勻性的幅度會增大。

圖註：暗物質流模擬圖，來自youtube視頻截圖

這就是可以在宇宙大尺度上確定的，它與觀察有關；在小尺度上我們懷疑，但不確定這是因為暗物質是由具有屬性的粒子組成的，而這些粒子會在宇宙大尺度上表現出這種行為。之所以認為這是因為宇宙在我們的知識中是由粒子組成的。如果是物質，如果有質量，有一個量子對應，這意味著在某種程度上是一個不可分割的粒子。但是在我們直接探測到這個粒子之前，沒有辦法排除另一種可能性：這是一種非粒子的射流場，但它對時空的影響與一組粒子的方式是一樣的。

圖註：WIMP暗物質的約束在實驗上非常嚴格。最低的曲線排除了WIMP（弱相互作用的大質量粒子）橫截面和位於其上的任何物體的暗物質質量。圖片版權：Xenon-100 Collaboration (2012), via http://arxiv.org/abs/1207.5988

這就是為什麼直接檢測到是如此重要！作為一個理論家寫了關於大尺度結構形成的博士論文，我很清楚人類所能做的在預測可觀察性方面，尤其是在大尺度上是非常強大的。但從理論上講不能確定暗物質是否為粒子。唯一的方法是通過直接檢測到；如果沒有，可以有強有力的間接證據，但它不會是真理。它似乎與暗能量沒有任何聯繫，因為暗能量在空間上是真正一致的，而大尺度上的預測告訴我們它是如何在引力作用下和其它力相互作用的。

圖註：在這個KIPAC / 斯坦福的模擬中，暗物質驅動星系的聚集和大尺度結構的形成。圖片版權：O. Hahn and T. Abel (simulation); Ralf Kaehler (visualization)

但暗物質是一種粒子嗎？在我們檢測到它之前只能假設答案。就其它形式的物質而言，宇宙已經表現出了量子性，因此假設暗物質也是合理的。但請記住，這種推理方式有其局限性。畢竟所有的事情都遵循相同的規則，直到它們不再如此！在我們未知的領域有暗物質等等，在這個宇宙中偉大的未知之前保持謙卑是很重要的！

知識：科學無國界，博科園-科學科普

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：Forbes Science

編譯：公子世無雙

審校：博科園