我們為什麼需要暗物質？

07-20

在宇宙的年齡只有現在的一半大時，「大胖子」（El Gordo）是已知當時質量最大的星系團。哈勃空間望遠鏡為它拍攝的照片顯示，星系團里瀰漫著發射X射線的氣體（粉色），也有大質量的暗物質暈（藍色）。就像哈哈鏡扭曲了你的臉一樣，暗物質也會彎曲背景天體發出的光。根據這一點，科學家可以推知暗物質的存在。（圖片來源：NASA, ESA, J. JEE, J. HUGHES, F. MENANTEAU, C. SIFON, R. MANDELBAUM, L. BARRIENTOS, AND K. NG.）

從歐洲空間局的普朗克衛星對宇宙微波背景輻射（最早的宇宙輻射遺迹）的最新研究中，天文學家知道了在我們周圍所有可見的物質（包括我們身體里的、在日常生活中見到的、構成行星、恆星、星雲和星系的那些物質）全部加起來也只不過占宇宙質能總量的4.9%。

相比之下，還有一種我們不知為何物的物質——暗物質——佔了宇宙當前物質總量的26.8%，比普通物質多出5倍。宇宙中剩餘的那部分質能來自於暗能量。它產生負壓力（即排斥力），使空間在過去的50億年里加速膨脹，並且將決定宇宙的最終命運。在這裡我們先不談它，我們關心的是實物物質。

此刻，就有暗物質環繞在你的周圍。不用四處張望——不管怎樣，這麼做也沒有用。在宇宙中，超過80%的實物物質都是暗物質，但它們既不發光、也不吸收光，主要通過引力（大自然中最微弱的力）與其它物質發生作用。天文學家通過星系的旋轉、星系團偏折光的傳播路徑、網狀宇宙大尺度結構、還有宇宙微波背景輻射看到它產生的影響。他們甚至在氫和氦（宇宙誕生後的最初幾分鐘里形成的輕元素）的丰度里也能看到它的身影。如果沒有這種我們目前無法探測的、在宇宙早期結構開始形成時運動得比較慢（即溫度低）的物質，我們就無法解釋這些觀測。

2015年，天文學家在3億3千萬光年遠的后髮星系團里，發現了一個模糊的、幾乎毫無特徵的巨大星系，給它起名叫蜻蜓44。現在，一個由耶魯大學的Pieter van Dokkum和多倫多大學的Roberto Abraham主持的觀測項目——用蜻蜓長焦望遠鏡陣（Dragonfly Telephoto Array）不斷找到更多的低面亮度且毫無特徵的大質量星系。這些星系被稱為超級瀰漫星系，蜻蜓44就是此類星系中的一個。

超級彌散星系蜻蜓44幾乎只含有暗物質。左圖是雙子（北）望遠鏡用多天體攝譜儀為它拍攝的廣角圖像。右圖是左圖的特寫，展示了暗弱的、細長的星系與它的球狀星團。（圖片來源：PIETER VAN DOKKUM, ROBERTO ABRAHAM, GEMINI, 斯隆數字化巡天）

蜻蜓44的不同尋常之處在於它的恆星太少，在擁擠的星系團里應該很容易就被拉扯散架了。Dokkum與同事用夏威夷莫納克亞山上的凱克望遠鏡II和雙子（北）望遠鏡研究這個星系內的恆星運動情況，由此確定了它的質量。這個星系的質量與銀河系的質量差不多，只是其質量的99.9%都是由暗物質貢獻的。研究人員認為蜻蜓44是「演化失敗的銀河系」，可能在它年輕的時候，有某種未知的機制把本該用來製造恆星的氣體給剝走了。

計算機模擬描繪了在類似銀河系大小的暗物質暈中，子結構如何隨時間演化。（圖片來源：VOLKER SPRINGEL，馬普天體物理研究所）

不管怎樣，模擬宇宙結構演化的計算機數值模擬需要暗物質才能讓星系形成。小暗物質暈先坍縮，在它們的引力拉扯下，普通物質聚集起來形成小星系。這些小星系再碰撞、併合，形成更大的星系。這種「自下而上」的物質聚集過程提示天文學家不能只盯著我們周圍的那些類似銀河系的大星系，應該多研究留下來的遺迹——例如矮星系及其被剝離出來的恆星流。像蜻蜓44那樣的超級瀰漫星係為天文學家提供了一個調整理論使其符合觀測的機會。

「撞車」星系團

星系可以聚集形成小到只有幾十個成員的星系群，大到向后髮星系團那樣有大約上萬名成員的星系團。作為宇宙中最大的引力束縛體，星系團的典型大小為幾千萬光年，質量達到、甚至超過百萬億倍太陽質量。星系團充斥著溫度超過2千萬華氏度、發出X射線輻射的高溫氣體。這些氣體的總質量一般是星系團成員星系總質量的兩倍。即便如此，如果沒有暗物質（一般占星系團質量的85%）的幫助，這些宇宙巨獸就會分崩離析。其實，后髮星系團和室女星系團里星系的運動情況為我們提供了第一批證據，證明星系團內必有暗物質。

正在碰撞的星系團則為天文學家提供了一個探索各種物質如何相互作用的機會。在38億光年遠的船底座子彈星系團里，一個小星系團在過去的2億年里，以1千萬英里每小時的速度從一個大星系團中穿過。2000年，美國宇航局（簡稱NASA）的錢德拉X射線天文台觀測到在小星團身後跟著一個角錐狀的X射線氣團（弓形激波）。雖然兩個星系團里的星系只是彼此擦肩而過，沒有發生相互作用，但星系團里的熱氣體卻被一種類似於空氣阻力（衝壓剝離, ram-pressure stripping）的拉力拽離開星系和星系團的暗物質暈。

這是子彈星系團里有暗物質的不尋常的證據。兩個星系團在碰撞後形成子彈星系團。一個星系團在從另一個星系團里穿過時，它的熾熱氣體呈現出子彈的形狀（右側的粉色團塊）。藍色區域是占絕大部分星系團質量的暗物質，與氣體截然分開。（圖片來源：X射線: NASA/CXC/CFA/M. MARKEVITCH ET AL.; 光學: NASA/STSCI; MAGELLAN/U. ARIZONA/D. CLOWE ET AL.;透鏡圖像: NASA/STSCI; ESO WFI; MAGELLAN/U. ARIZONA/D. CLOWE ET AL.）

星系團里的暗物質總量很大，足以彎曲時空，使遙遠天體發出的光的傳播路徑發生明顯偏折。藉助弱引力透鏡效應，天文學家可以通過測量背景星系被扭曲的形狀，來測繪出兩個星系團里暗物質的空間分布。另一種名為強引力透鏡效應的技術通過尋找背景天體的多個畸變像來達到同樣的目的。天文學家運用這兩種方法測量子彈星系團內的暗物質分布，得到了同樣的結果：兩個暗物質暈也和星系一樣，沒有發生過相互作用的跡象。對其它「撞車」星系團展開的類似研究也表明，暗物質不僅存在於那些星系團里，而且起著主導作用。

離開標準模型

粒子物理學家根據自己的理由來斷定新粒子的存在，其中有不少新粒子正好可以扮演暗物質的角色。20世紀70年代初發展起來的粒子物理標準模型，用四種已知的基本作用力中的三種（電磁力、原子核里的弱相互作用和強相互作用）來描述基本粒子（如電子和夸克)相互作用產生的各種現象。標準模型新近取得的成功是2012年，歐洲的大型強子對撞機（世界上能量最大的粒子加速器，簡稱LHC）在的質子粉碎實驗中發現了希格斯粒子。

但標準模型沒有包括最弱的作用力——引力，而且還有其它問題它無法解釋，例如為什麼普通物質比反物質多。因此，物理學家提出了許多擴展理論，試圖解決這些問題。最廣為人知的解決辦法就是超對稱理論。該理論預言標準模型中的每一種粒子都有與之對應的大質量粒子。最輕的超對稱粒子是中性微子（neutralino）。天文學家對它很感興趣，因為它的性質符合他們最中意的暗物質模型——弱相互作用大質量粒子（簡稱WIMP）。WIMP很少與普通物質發生作用，即使發生作用，也只通過弱相互作用力與後者作用。在一些模型中，WIMP還身兼與之相對應的反物質粒子的角色，當它們碰撞時會發生湮滅，太空里的探測器（如NASA的費米伽馬射線空間望遠鏡）能夠探測到它們發出的伽馬射線。

粒子物理的標準模型囊括了各種粒子，但在弱相互作用尺度和引力（普朗克）尺度之間還存在著巨大的空白。這是為什麼粒子物理學家試圖離開標準模型去尋找暗物質候選者的原因之一。（圖片來源：ROEN KELLY）

物理學家期待能在LHC的高能對撞中看到超對稱粒子的身影。但令許多人大感失望的是，至今還沒有什麼新發現。斯坦福大學的天體物理學家Troy Porter說：「對超對稱暗物質理論來說，我認為形勢越來越緊迫。LHC沒有找到證據，在有可能出現相對比較『乾淨』的天體物理信號的地方（例如銀河系周圍的矮星系，"費米"一直在監測它們）至今也沒有探測到伽馬射線。」同樣地，像美國南達科他州Lead市地下一英里深的大型地下氙實驗那樣的探測器也沒有什麼發現。

美國伊利諾斯州巴達維亞費米實驗室的天體物理學家Dan Hopper說：「對目前的情況，有兩種完全不同的解讀。一方面，地下探測器或者LHC都沒有看到過類似WIMP的粒子，這限制了與實驗數據相符的理論模型的種類。」這促使暗物質學界開始轉向「隱藏區」（Hidden sector）模型和其它更難探測的理論模型。「隱藏區」模型認為暗物質粒子不像普通物質那樣，通過標準模型里的作用力發生相互作用。「如果這些實驗繼續毫無發現，就會有越來越多的人拋棄常用的WIMP模型，」他說。

另一方面，「費米」看到銀河系中心（銀心）殘留著能量高於20億電子伏特的伽馬射線。銀心既近，又有不少暗物質。「這是我們目前找到的、最有可能是暗物質粒子發出的信號了，」Hooper說。「如果以後的觀測支持這個解釋，那麼暗物質學界將會重新重視WIMP，特別是那些能夠產生類似銀心發出的那種信號的WIMP模型。」

伽馬射線探測

雖然科學家認為銀心處有大量的暗物質，應該產生很強的信號，但它卻要與許多其它伽馬射線源（例如脈衝星、與星際氣體發生作用的宇宙射線等）競爭。這就是為什麼「費米」在銀心處看到的伽馬射線「超出」還不能完全確定的原因。

最近，天文學家使用「費米」的觀測數據來研究假想粒子（如軸子或者具有類似性質的其它粒子）作為暗物質候選者的可能性。這些粒子無需滿足超對稱性，在眾多候選者中位居前列。此類粒子的迷人之處在於：當它們與強磁場發生作用時，能夠轉變成伽馬射線，然後再轉變回來。這些轉變會在明亮的伽馬射線源的光譜中留下獨特的痕迹（如缺口或台階）。

2015年，瑞典斯德哥爾摩大學的Manuel Meyer主持了一個研究項目：從NGC 1275（英仙射電源A，是2億4千萬光年遠的英仙星系團的中心星系）的伽馬射線輻射中搜尋這些特徵。貫穿星系團的磁場能把星系發出的伽馬射線轉變成類似軸子的粒子。Meyer的研究團隊在「費米」的觀測數據中尋找理論預測的畸變，最終排除了一小部分類似軸子的粒子（占暗物質的4%）。

美國聖克魯茲市加利福尼亞大學的Regina Caputo在距離我們20萬光年遠的小麥哲倫雲（銀河系周圍的小衛星星系中排名第二，簡稱SMC）里搜尋這些信號。之所以到SMC那裡去搜尋暗物質，部分原因是它離我們比較近，科學家對SMC里常見的那些伽馬射線輻射源（如恆星形成和脈衝星）比較了解。最重要的是，天文學家對SMC的旋轉曲線進行了高精度的測量。旋轉曲線描述了星系的旋轉速度如何隨著半徑變化，可以用來計算星系裡有多少暗物質。Caputo與同事的研究顯示，SMC擁有的暗物質總量足以產生可以被探測到的兩種WIMP信號。雖然「費米」確實在銀心處看到了伽馬射線輻射，但Caputo的團隊能夠用常見的那些輻射源來解釋所有這些輻射。

小麥哲倫雲是銀河系的一個不規則的衛星星系，距離我們20萬光年遠。上圖的左半邊展示了它肉眼看上去的樣子，右半邊則展示了它的暗物質暈，包括了約95%的暗物質。費米空間望遠鏡還沒有發現這個星系的暗物質發出的伽馬射線輻射。（圖片來源：R. CAPUTO ET AL., AXEL MELLINGER,美國中密歇根大學）

在另一項研究中，以Marco Ajello為首的美國南卡羅萊納州克萊蒙森大學的科學家和加利福尼亞州SLAC國家加速實驗室的Mattia Di Mauro則另闢蹊徑。他們不研究特定的目標，而是使用積累了6年半多時間的觀測數據對遍布全天的伽馬射線輻射背景展開分析。

這個輻射被稱為河外伽馬射線背景輻射（簡稱EGB）。自20世紀70年代初NASA的小型天文衛星2號第一次探測到它，對它的討論一直持續至今。「費米」的觀測表明這個輻射大部分來自於無法分辨的伽馬射線源，特別是耀變星系（Blazars）。物質落入耀變星系中心的巨大黑洞，為星系提供了能量。在「費米」看到的全部伽馬射線源里，耀變星系就佔了一半以上。EGB還可能是遙遠的暗物質粒子相互作用（例如WIMP的湮滅或者衰變）產生的。但Ajello與同事發現，用耀變星系和其它的單個輻射源已經可以解釋幾乎所有輻射的來源了。

「在限定暗物質模型的參數（即縮小理論模型範圍）方面，『費米』已經做得很棒了，」Ajello說。那是因為它的大視場望遠鏡（Large Area Telescope）每隔兩小時進行一次全天巡測，每一圈轉下來都在不斷增加它的曝光深度。WIMP能夠通過各種機制產生伽馬射線，例如轉變成成對的夸克、膠子、μ子、還有其它粒子，這些粒子對隨後發生衰變，發出伽馬射線和穩定的粒子。這給科學家提供了許多方法去使用「費米」搜尋暗物質。「直接探測和用對撞機搜尋測試了暗物質性質的不同方面，與像『費米』這樣的間接探測形成互補，」他說。「這三種方法探測了暗物質研究的不同內容，能讓我們越來越接近真實的暗物質模型。」

暗物質候選者可能會過時，但我們對宇宙的認識似乎需要它的存在。

「我想說，在未來幾年，WIMP可能早晚都會被拋棄，但暗物質也很有可能是由全部粒子構成的，」Caputo說。「想想普通物質的標準模型包羅萬象，可普通物質才只佔了宇宙物質總量的5%而已。」

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