自1922年天文學家雅各布·卡普坦（Jacobus Kapteyn）首次提出星系中可能存在不可見的物質(zhì)以來，人類對暗物質(zhì)的探索已經(jīng)度過了近一百個春秋，卻依舊沒能揪住這詭秘物質(zhì)的一丁點尾巴。暗物質(zhì)研究領域中總是流傳著這樣的冷笑話——暗物質(zhì)確實是回事兒?。―ark matter is matter。）然而玩笑背后，這樣一種看不見摸不著，只能憑借引力感受的物質(zhì)也著實讓科學家們抓破了頭。

　　捉摸不定，從未現(xiàn)身

　　由于不會輻射電磁波，同時也不吸收和反射電磁波，同重子物質(zhì)之間也僅存在引力相互作用，暗物質(zhì)的存在直到近代才逐步被發(fā)現(xiàn)和確認。最初弗里茨·茲威基（Fritz Zwicky）與揚·奧爾特（Oort，Jan Hendrik）分別敏銳地發(fā)覺，星系中應當存在更多看不到的物質(zhì)（茨威格從后發(fā)星系團出發(fā)，而奧爾特從銀河系出發(fā)），這些物質(zhì)的存在直到薇拉·魯賓（Vera Cooper Rubin）開始觀測星系的自轉(zhuǎn)曲線才初見端倪。

　　如果只有重子物質(zhì)存在，星系自轉(zhuǎn)曲線應當同紅線一般在星系外圍迅速衰減，然而實際的觀測卻發(fā)現(xiàn)并非如此，這意味著星系外圍有著大量“看不到”的物質(zhì)存在。率先發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象的科學家之一便是杰出的女性科學家薇拉·魯賓

　　星系被包裹在巨大的暗物質(zhì)團塊當中，這些團塊我們稱之為暗物質(zhì)暈。如果只有那些可以發(fā)光的重子物質(zhì)，星系外圍的自轉(zhuǎn)曲線本應符合牛頓力學和開普勒定律，很快地在星系外側(cè)削減為零，但實際上由于暗物質(zhì)暈的存在，它們呈現(xiàn)出平坦的圖形，這同只有重子物質(zhì)存在的星系自轉(zhuǎn)曲線是截然不同的。

　　除此之外，由于存在引力作用，恒星或者星云的光在經(jīng)過暗物質(zhì)暈的時候會被扭曲，從而形成引力透鏡現(xiàn)象。因為暗物質(zhì)本身不發(fā)光，所以暗物質(zhì)作為引力透鏡是極為理想的。借助于這一工具，我們甚至能探測到星系碰撞時暗物質(zhì)暈同中間的星系發(fā)生分離的子彈星系團現(xiàn)象。然而以上探測方法都屬于間接測量，暗物質(zhì)的屬性是如此捉摸不定，時至今日，科學家仍未能直接（在粒子物理層面上）探測到暗物質(zhì)的存在。

　　暗物質(zhì)的候選物浮出水面??

　　最初天文學家們認為所謂的暗物質(zhì)，正是那些在宇宙中不發(fā)光的天體的總和——黑洞、褐矮星、行星等天體，它們被稱為暈族大質(zhì)量高密度天體（Massive Astrophysical Compact Halo Objects，簡稱：MACHOs）。雖然這些天體不發(fā)光或者發(fā)光極其微弱，但我們依然可以通過微引力透鏡效應（當質(zhì)量較小的透鏡天體經(jīng)過背景天體前方時引起的持續(xù)時間較短的亮度暫時上升現(xiàn)象）來觀測到它們。

　　發(fā)生碰撞的星系X射線波段觀測（紅色）與通過引力透鏡計算出的暗物質(zhì)團塊（藍色）位置分布的圖像，由于暗物質(zhì)同重子物質(zhì)不發(fā)生碰撞，因此在子彈星系團中會先超過星系，從而發(fā)生星系和暗物質(zhì)暈中心錯位的現(xiàn)象。版權(quán)/NASA

　　波蘭天文學家波丹·巴欽斯基（Bohdan Paczynski）在20世紀80年代發(fā)起了對麥哲倫星云的MACHO巡天計劃，對大小麥哲倫星云進行了多次長時間觀測，以尋找其中的微引力透鏡事件。然而巡天項目結(jié)果表明，至少在大小麥哲倫星云中，MACHOs的數(shù)量遠遠無法滿足暗物質(zhì)的存在所需要的質(zhì)量，因此這一假說很快便被否定了，因此科學家們只好向基本粒子尋求解答。

　　無法形成小結(jié)構(gòu)的熱暗物質(zhì)??

　　中微子和一些輕子是最先進入科學家視角的基本粒子，它們質(zhì)量很小，呈電中性，同時可以在宇宙中大量存在。只不過中微子質(zhì)量極小，在宇宙中甚至可以接近光速運動，這就意味著它們在宇宙早期冷卻下來的時間較晚，甚至比重子物質(zhì)還要更晚。這些粒子被作為熱暗物質(zhì)（Hot Dark Matter，簡稱HDM）的候選物。

　　暗物質(zhì)模型被提出的時候恰逢計算機技術興起，多體模擬得以在計算機中實現(xiàn)，因此科學家們就能夠以這些粒子的性質(zhì)作為變量，使用計算機來對于宇宙的演化進行數(shù)值模擬，熱暗物質(zhì)粒子是最先被丟進這類模擬當中的。但在數(shù)值模擬之下，熱暗物質(zhì)模型也是最先被踢出暗物質(zhì)候選者陣營的。

　　這是由于熱暗物質(zhì)模型中，暗物質(zhì)粒子是一些能量極高的輕粒子，它們速度很快，在宇宙演化中要很晚才能冷卻減速依附在星系周圍形成暗物質(zhì)暈。然而依據(jù)宇宙微波背景的觀測結(jié)果，宇宙是從一個高度均勻的狀態(tài)開始膨脹的，在這個前提下，熱暗物質(zhì)粒子無法在數(shù)值模擬中形成星系這樣“小尺度”（在宇宙之中，星系的尺度的確小的可憐）的團塊，然而在宇宙中我們已經(jīng)能夠觀測到低于熱暗物質(zhì)閾值的小尺度結(jié)構(gòu)，所以這一模型很難對現(xiàn)有的小尺度結(jié)構(gòu)進行解釋，自然就被從候選者中排除了。

　　似乎完美的冷暗物質(zhì)??

　　有了熱暗物質(zhì)作為參考，冷暗物質(zhì)（Cold Dark Matter，簡稱CDM）模型也便應運而生，這類模型是對那些質(zhì)量較大的，速度更小的粒子的統(tǒng)稱，它們被稱為弱相互作用大質(zhì)量粒子（Weakly Interacting Massive Particles，簡稱WIMPs）。弱相互作用大質(zhì)量粒子是質(zhì)量和相互作用強度都在電弱相互作用量級的基本粒子，不參與電磁和強相互作用。由于WIMPs本身的物理性質(zhì)極其不活潑，因此很難直接尋找到它們，不過基于這種猜想，眾多物理實驗得以建立起來。

　　同時，基于冷暗物質(zhì)模型的宇宙學模擬也如火如荼地進行起來，天體物理學家詹姆斯·皮爾布斯（James Peebles， 因為其在宇宙學領域的諸多貢獻，2019年被授予了諾貝爾物理學獎）率先利用多體模擬技術實現(xiàn)了對冷暗物質(zhì)宇宙模型的數(shù)值模擬?？茖W家們驚奇的發(fā)現(xiàn)，這種暗物質(zhì)模型幾乎完美地再現(xiàn)了整個可觀測宇宙的現(xiàn)況。

　　雖然粒子物理學家還沒能抓住一顆暗物質(zhì)粒子，不過計算宇宙學的科研人員們已經(jīng)在硬盤中模擬出了整個宇宙隨著暗物質(zhì)和重子物質(zhì)共同演化的過程。冷暗物質(zhì)模型對于宇宙的還原是如此貼切，時至今日仍舊是暗物質(zhì)候選者中的大熱門。無碰撞的冷暗物質(zhì)模型能夠很好地符合如今的觀測結(jié)果——在大部分時候，事實上，在數(shù)值模擬中可以使用的粒子數(shù)與計算機的數(shù)據(jù)處理速度都大幅提升后，科學家們發(fā)現(xiàn)：它也并非完美。

　　首先出現(xiàn)的是尖頂&內(nèi)核問題（cusp and core proplem）。冷暗物質(zhì)模型的密度分布符合NFW密度曲線（Navarro，F(xiàn)renk & White density profile， 這一密度分布形式以構(gòu)建它的三名科學家命名），這意味著在冷暗物質(zhì)模型的中心，物質(zhì)密度將會是發(fā)散的，也就是說暗物質(zhì)暈的中心存在一個密度極高，甚至是無窮大的區(qū)域。而實際上這樣無窮大的區(qū)域并不存在，雖然星系的中心往往存在超大質(zhì)量黑洞，但是冷暗物質(zhì)模型中的高密度中心的尺度比超大質(zhì)量黑洞要大得多，所以兩者無法一概而論。

　　數(shù)值模擬中，熱（左）、溫（中）、冷（右）暗物質(zhì)模型，在宇宙早期（上）以及現(xiàn)在（下）階段宇宙中的物質(zhì)分布結(jié)構(gòu)，隨著暗物質(zhì)“溫度”逐漸降低，能夠形成的小尺度結(jié)構(gòu)就越密集。版權(quán)/蘇黎世大學

　　除了尖頂與內(nèi)核問題，在冷暗物質(zhì)模擬當中出現(xiàn)的另一個問題也很快凸顯出來，冷暗物質(zhì)模擬的結(jié)果顯示了大量的小尺度結(jié)構(gòu)——比熱暗物質(zhì)多得多。就像人們所說的，旱的旱死，澇的澇死，冷暗物質(zhì)宇宙在模擬下出現(xiàn)的眾多精細結(jié)構(gòu)完全沒有被現(xiàn)有觀測手段所觀測到——但這倒也在情理之中。

　　由于冷暗物質(zhì)宇宙當中，暗物質(zhì)粒子比重子物質(zhì)更早冷卻下來，形成暗物質(zhì)暈，然后重子物質(zhì)再逐漸落入其中形成星系團和星系。因此對于那些很小的暗物質(zhì)暈，將只會有很少的重子物質(zhì)落入其中，甚至有些更小的暗物質(zhì)暈中將沒有任何重子物質(zhì)。在人類現(xiàn)有的探測能力下，這些暗物質(zhì)子結(jié)構(gòu)本身就很難被發(fā)現(xiàn)，更不必說統(tǒng)計他們的數(shù)量了。

　　不過敏感的科學家們很快就意識到，如果稍微改變模型，無論是尖頂與內(nèi)核問題，還是過多的子結(jié)構(gòu)問題都將得到解決，溫暗物質(zhì)（Warm Dark Matter，簡稱：WDM）模型應運而生。

　　探索暗物質(zhì)暈的極限??

　　暗物質(zhì)的屬性決定了我們很難直接接觸并研究這種物質(zhì)，不過好在它的諸多性質(zhì)還是能夠進行間接測量。

　　科學家們真的有辦法直接找到暗物質(zhì)暈嗎？有可能。暗物質(zhì)暈本身不發(fā)光的特性使得它們成為了絕佳的引力透鏡天體，利用引力透鏡效應，我們可以“輕松”找到這些暗物質(zhì)暈。只不過宇宙是如此浩瀚，即便星辰遍布天穹，暗物質(zhì)暈大量存在，暗物質(zhì)暈恰好位于恒星之前的概率依舊非常低。

　　哈勃望遠鏡對超暗矮星系Leo IV的光學波段觀測，里面真的什么都看不著。版權(quán)/NASA

　　而暗物質(zhì)的數(shù)值模擬之路也尚未到頭。宇宙級別的演化所需要的計算量遠遠超出現(xiàn)有人類所有的計算機，但我們可以通過逐級放大的方法將這偌大的宇宙逐漸放大，最終得到足夠“微觀”的宇宙結(jié)果。對各種暗物質(zhì)模型的深入研究，正吸引著大批科研工作者。雖然冷暗物質(zhì)模型目前為廣大天文學者所認同，但這一模型中仍舊存在諸多問題暫時無法得到合理的解釋。

　　暗物質(zhì)的本質(zhì)究竟為何？也許再過幾年——或者幾十年，我們終將揭開暗物質(zhì)的神秘面紗；也或許，如同可控核聚變那樣，我們距離暗物質(zhì)的真相永遠還差50年。

　　作者簡介

　　劉孜銘，筆名貓又，國家天文臺博士在讀，順便用天眼看看仙女座大星云。

　　來源：中國國家天文


關注【深圳科普】微信公眾號，在對話框：
回復【最新活動】，了解近期科普活動
回復【科普行】，了解最新深圳科普行活動
回復【研學營】，了解最新科普研學營
回復【科普課堂】，了解最新科普課堂
回復【科普書籍】，了解最新科普書籍
回復【團體定制】，了解最新團體定制活動
回復【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回復【觀鳥知識】，學習觀鳥相關科普知識
回復【博物學院】，了解更多博物學院活動詳情