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圖片藍色部分為推測的暗物質分布（圖片來源：ESA/Hubble）

暗物質看不見、摸不著、目前只存在于理論中，然而科學家卻已經為候選的暗物質粒子按冷、溫、熱分好了類。他們的分類標準是什么？不同類別的暗物質，在構建宇宙的過程中起了什么作用？我們又該如何尋找它們的蹤跡？

半個世紀前，天文學家薇拉·魯賓（Vera Rubin）和肯特·福特（Kent Ford）為了解釋星系的旋轉，認為大量證據(jù)顯示宇宙中存在一種看不見的物質，這種物質現(xiàn)在被稱為“暗物質”。暗物質只通過引力與普通物質發(fā)生相互作用，但數(shù)量極多，占宇宙中所有物質的85%。

暗物質為塑造可見物質發(fā)揮了關鍵作用。從我們的銀河系到遙遠星系間的氣體纖維，它們的形成過程都有暗物質的參與。美國天體物理學家凱沃克·阿巴扎吉安（Kevork Abazajian）說：“我們相信暗物質存在，因為在多種尺度下都有支持它存在的證據(jù)?！?/span>

關于暗物質的形態(tài)存在很多觀點，從行星大小的物體（被稱為MACHO）到單個粒子（如大質量弱相互作用粒子WIMP，大約質子大?。?，甚至更小的軸子（axion）和惰性中微子，不一而足。

20世紀80年代起，科學家將候選的暗物質粒子按冷、溫、熱分類。分類標準基于粒子在早期宇宙中的速度，而這又取決于粒子質量及其誕生時的環(huán)境溫度。輕而快的粒子被稱為“熱暗物質”，重而慢的粒子被稱為“冷暗物質”，“溫暗物質”則介于二者之間。在這一標準下，WIMP是冷暗物質，惰性中微子是溫暗物質，早期宇宙殘留的中微子是熱暗物質。（軸子是一個特例，它既輕又極冷。我們稍后細說。)

為什么科學家如此重視粒子的速度呢？阿巴扎吉安說：“輕而快的暗物質粒子可以在相同時間內走得更遠，抹平沿途存在的任何結構?！毕喾?，慢而冷的暗物質則有助于構建結構。根據(jù)我們現(xiàn)有的知識，慢而冷的暗物質一定是宇宙組成成分之一。

建造星系

科學家對每種候選暗物質粒子的形成時間和形成方式尚未有定論。他們唯一確定的是，暗物質在宇宙大爆炸后大約75 000年就已經存在了。“從那時起，‘物質’超越‘輻射’成為宇宙的主宰，像‘種子’一樣的微小的物質結構開始形成，”美國斯坦福大學（Stanford University）理論物理學家彼得·格雷厄姆（Peter Graham）說。

新生宇宙是一鍋熾熱而致密的“宇宙湯”，其中粒子碰撞，產生了大多數(shù)類型的暗物質粒子。這與大型強子對撞機（Large Hadron Collider，LHC）中，高能粒子碰撞產生新粒子的過程大致相同。事實上，暗物質可能存在多種類型。隨著宇宙的膨脹和冷卻，暗物質粒子最終變?yōu)槔浒滴镔|、溫暗物質、熱暗物質。

當暗物質在宇宙中自由“流動”時，每種類型的暗物質都會對沿途的物質結構產生獨特影響。“科學家形容暗物質在宇宙中自由‘流動’，這個術語有點誤導人。”阿巴扎吉安說，“因為順著河水流動的樹葉都朝著同一個方向前進，但流動的暗物質卻無處不在，向四面八方散播?！?它們有的增加物質的聚集度、從而促進星系的形成，有的阻礙星系的形成。

冷暗物質可以促進物質聚集，比如WIMP。因為它們的移動速度足夠慢，能夠匯聚在一起形成引力井，從而捕獲附近的物質，使物質聚集。

而熱暗物質則會“拆散”聚集的物質，因為它們的移動速度如此之快，以至于可以忽略引力井的吸引。意大利博洛尼亞大學（University of Bologna）理論物理學家西爾維婭·帕斯科利（Silvia Pascoli）說：“如果宇宙中只有熱暗物質，那么微小的物質結構‘種子’就不可能成長為更大的結構。”因此科學家認為，熱暗物質粒子只占暗物質的一小部分，如宇宙早期遺留的中微子。但作為目前唯一確定的暗物質，這類中微子也對宇宙的進化產生了重要的影響。

你可以把溫暗物質視為最好的暗物質，它們可以讓宇宙充滿恰到好處的物質結構。惰性中微子是溫暗物質的首選粒子，在理論上它可以占暗物質的絕大多數(shù)。

阿巴扎吉安研究了早期宇宙中特定類型的中微子振蕩如何產生惰性中微子暗物質，他說：“然而大部分參數(shù)空間（可能存在的條件集）已經被排除了。盡管同樣的振蕩今天可能還在發(fā)生，但一般的中微子在真空中通過標準振蕩轉化為惰性中微子的概率極低，估計在10萬分之一到100萬億分之一之間?！?/span>

“你必須使用非常好的計數(shù)機制，才能在100萬億次撞擊中不遺漏一次惰性中微子的撞擊?！卑驮舱f。也就是說，也有一些實驗正在嘗試不依賴撞擊產生惰性中微子方法。

軸子與其他候選暗物質粒子不同，它們非常輕、非常冷。軸子的質量輕到可以用波來描述它，軸子場可以傳播幾公里。軸子與其他物質的耦合很弱，以至于在早期宇宙粒子瘋狂碰撞的熱“湯”中，幾乎也不會產生任何軸子。

“軸子的產生方式與其他的候選暗物質粒子天差地別。盡管當時的宇宙非常熱，但軸子在誕生時就非常冷，并將永遠保持冷的狀態(tài)?！?格雷厄姆說，“軸子的溫度接近絕對零度，而在這個溫度下幾乎所有的運動都停止了。所以本質上軸子是不運動的。它們像是幽靈般的液體，而其他的一切都在其中流動?！?/span>

尋找各種各樣的暗物質

部分科學家認為，想要解釋我們在宇宙中看到的所有事物，需要不止一種類型的暗物質。盡管在過去的幾年里，旨在檢測WIMP和產生暗物質粒子的LHC碰撞試驗全都無果而終，但搜尋暗物質的研究仍未停歇。科技的進步帶來了許多巧妙的實驗方法，或許能讓我們發(fā)現(xiàn)更輕、更奇異的暗物質粒子。

部分尋找暗物質的實驗，利用了暗物質在創(chuàng)造物質結構的過程中起到的作用。

加州大學歐文分校的科學家西蒙娜·穆爾吉亞（Simona Murgia ）在美國能源部SLAC國家加速器實驗室（SLAC National Accelerator Laboratory)進行博士后研究時，她帶領的研究團隊曾用費米伽馬射線太空望遠鏡（Fermi Gamma-ray Space Telescope）尋找WMIP與其反粒子之間的碰撞現(xiàn)象。

現(xiàn)在她所在的國際科學家團隊，將在智利的維拉·魯賓天文臺（Vera C. Rubin Observatory）使用世界上最大的數(shù)碼相機，對南部天空進行大規(guī)模的研究。這項研究的目標之一，是觀察可見星系發(fā)出的光線如何被暗物質彎曲，以更好地掌握暗物質的分布。

該相機將在10年間拍攝大約200億個星系的圖像，科學家希望由此推斷出塑造它們的暗物質的基本性質。“星系的分布越聚集，就越符合冷暗物質的理論?！?穆爾吉亞說，“我們不僅想知道暗物質是否真的存在，更想明白暗物質究竟是什么。”

原文鏈接：

https://www.symmetrymagazine.org/article/is-dark-matter-cold-warm-or-hot

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