暗物質(zhì)可能不像我們想象的那么神秘

文/邁克爾·D.萊蒙尼克 譯/胡德良

天文學(xué)家努力了將近80年，企圖搞清彌漫于宇宙的神秘暗物質(zhì)是由什么構(gòu)成的。通過(guò)星系的運(yùn)動(dòng)，天文學(xué)家想到了利用暗物質(zhì)來(lái)解釋為什么宇宙的質(zhì)量好像比可見(jiàn)恒星和星系擁有的質(zhì)量大得多。在很大程度上，他們相信暗物質(zhì)是某種奇異的亞原子粒子，在大爆炸的過(guò)程中大批量形成，用任何方法都無(wú)法看到，只是由質(zhì)量而產(chǎn)生引力。暗物質(zhì)粒子在很大程度上仍然是理論上的觀念，因?yàn)樘煳膶W(xué)家從來(lái)沒(méi)有直接探測(cè)到一個(gè)這樣的粒子。

但是，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡和位于智利的甚大望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行的新一輪觀測(cè)，可能發(fā)現(xiàn)了一個(gè)關(guān)鍵的線索，有望搞清暗物質(zhì)到底是什么。發(fā)表在《皇家天文學(xué)會(huì)月報(bào)》上的一篇新論文提出：“一個(gè)叫作阿貝爾3827（Abell3827）的星系團(tuán)，位于距離地球14億光年處，其中的暗物質(zhì)粒子正在對(duì)一種重力之外的力做出反應(yīng)。”

實(shí)際上，論文的作者探測(cè)到的是不同尋常的暗物質(zhì)布局。通常，暗物質(zhì)會(huì)在星系周圍形成一個(gè)巨大的暈輪，銀河系的暗物質(zhì)暈就是把我們維系在一起的因素之一：銀河系的旋轉(zhuǎn)非常快，如果沒(méi)有暗物質(zhì)產(chǎn)生的額外引力將其維系在一起，銀河系就會(huì)飛散。但是，對(duì)這個(gè)星系團(tuán)中的一個(gè)星系來(lái)說(shuō)，暗物質(zhì)暈的中心點(diǎn)偏離了星系本身的中心點(diǎn)，偏離值大約為5000光年。

就太空而言，這個(gè)距離不算遠(yuǎn)。然而，正如一些理論指出的那樣：如果暗物質(zhì)粒子僅僅受到重力的作用，那么這個(gè)偏離值應(yīng)該是零。

但是，另外一些理論預(yù)測(cè)說(shuō)，應(yīng)該有另外一種力在起作用。至少幾十年以來(lái)，理論物理學(xué)家傾向于把一種叫作弱相互作用大質(zhì)量粒子的粒子作為對(duì)暗物質(zhì)構(gòu)成的最佳解釋。這種粒子不僅能夠?qū)σψ龀龇磻?yīng)，還能夠?qū)α硗庖环N相對(duì)較弱的力做出反應(yīng)，這種力類似于所謂的弱核力（一種能夠引起放射性衰變的力）。

這可能是首個(gè)實(shí)驗(yàn)證據(jù)，證明暗物質(zhì)真的是由弱相互作用大質(zhì)量粒子構(gòu)成的。英國(guó)杜倫大學(xué)天體物理學(xué)家理查德·梅西說(shuō)：“對(duì)暗物質(zhì)團(tuán)偏離的最佳解釋是，它正在跟阿貝爾3827中心的其他暗物質(zhì)團(tuán)互相穿插而過(guò)。暗物質(zhì)團(tuán)之間的摩擦正在迫使梅西觀察的這個(gè)暗物質(zhì)團(tuán)落后于它所在的星系，而這種摩擦是由這個(gè)額外的力造成的?！比欢?，梅西及其同事還不知道這種力是什么。從能否更容易地被看到這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，這種引力之外的力無(wú)法使暗物質(zhì)變得更加明朗;但是，從對(duì)暗物質(zhì)本質(zhì)的理解方面來(lái)說(shuō)，這種力使它顯得不那么神秘了。

Abell3827星系團(tuán)

feyEQgWTNL0Rs8FKNr8B7Q==哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的這張圖片顯示了四個(gè)正在合并的星系。其中一個(gè)星系周圍的暗物質(zhì)光暈好像偏離了中心，這表明暗物質(zhì)粒子受到了某種看不見(jiàn)的未知力量。

然而，這種可能性也是存在的，正在發(fā)生的只不過(guò)是普普通通的情況。例如，如果在可見(jiàn)星系的一側(cè)正在大量地形成恒星，這樣就可能會(huì)產(chǎn)生一個(gè)亮斑，使天文學(xué)家對(duì)星系中心的估計(jì)出現(xiàn)偏差?；蛟S，附近星系的引力會(huì)使這個(gè)可見(jiàn)星系的形狀產(chǎn)生扭曲，使得其中心難以確定下來(lái)?！罢页鲆粋€(gè)令人信服的替代解釋是很難的?！泵肺髡f(shuō)，“但是，這是一項(xiàng)令人激動(dòng)的發(fā)現(xiàn)，對(duì)此我是格外謹(jǐn)慎的，只是給出了低調(diào)的見(jiàn)解。”

“通過(guò)某種未知的力量，暗物質(zhì)粒子正在使彼此的速度減緩下來(lái)，這種觀點(diǎn)對(duì)該問(wèn)題來(lái)說(shuō)確實(shí)像是可能性最大的解釋。”美國(guó)航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的暗物質(zhì)專家杰森·羅德斯說(shuō)，“但是，我們顯然需要更多的證據(jù)。”為了獲取更多證據(jù)，天文學(xué)家正在進(jìn)行研究，對(duì)計(jì)劃中的其他星系進(jìn)行了新一輪觀測(cè)。

即使最終發(fā)現(xiàn)更多的暗物質(zhì)偏離現(xiàn)象，也不一定能夠確定暗物質(zhì)粒子的性質(zhì)。即使這些粒子確實(shí)能夠感受到引力以外的某種力量，但是仍然難以計(jì)算那種力量的強(qiáng)度，因而也難以進(jìn)一步縮小候選粒子的名單。

世界上最大的粒子加速器是歐洲的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)。在理想的情況下，研究大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的粒子物理學(xué)家會(huì)在地球上制造出一些暗物質(zhì)粒子，這樣也會(huì)較為容易地測(cè)定這些粒子的屬性。地面以下的幾個(gè)探測(cè)器專門用來(lái)捕捉穿越地球的粒子，或許其中的某個(gè)探測(cè)器將會(huì)捕捉到一個(gè)可以說(shuō)明問(wèn)題的電子信號(hào)。

術(shù)語(yǔ)簡(jiǎn)介

暗物質(zhì)粒子湮滅

在兩個(gè)暗物質(zhì)粒子碰撞的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生一系列新的粒子。在世界各地和太空中進(jìn)行的各種實(shí)驗(yàn)正在試圖探測(cè)這一效應(yīng)。

星系

太空中恒星的巨大集合，就像一座由恒星構(gòu)成的城市。我們所在的星系被稱為銀河系，擁有約2000億顆恒星。

引力透鏡

愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)言，物質(zhì)會(huì)使得光線的路徑發(fā)生彎曲。然而，天文學(xué)家看到的光線彎曲程度比發(fā)光物質(zhì)所能造成的更大。

中微子

由太陽(yáng)內(nèi)部核反應(yīng)產(chǎn)生的幾乎無(wú)質(zhì)量的粒子。暗物質(zhì)湮滅會(huì)產(chǎn)生額外的中微子，探測(cè)到它們將是一個(gè)重大突破。

標(biāo)準(zhǔn)模型

粒子物理學(xué)家可以用它解釋絕大多數(shù)亞原子世界中的現(xiàn)象。它也包含粒子和光以及力之間如何相互作用的規(guī)律。

超對(duì)稱

超越標(biāo)準(zhǔn)模型的理論，認(rèn)為每一個(gè)普通粒子都有一個(gè)超對(duì)稱伙伴粒子。這些超對(duì)稱粒子中最輕的可以構(gòu)成暗物質(zhì)。