科學人 發行日期:2015*9 刊號:162
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暗原子:宇宙黑勢力

暗物質佔據宇宙整體質量約1/4,雖然我們仍看不見它,但是它可能具有許多不同的怪異類型。

撰文/杜布瑞斯庫(Bogdan A. Dobrescu)、林肯(Don Lincoln)
翻譯/李沃龍

重點提要
■科學家現在知道,宇宙必定含有大量且不可見的物質,遠比可見物質還多。關於暗物質的搜尋,他們專注於偵測單一種不可見的粒子,但實驗進行數十年,還是沒有發現任何蹤跡。
■暗物質可能不只是單一種不可見的粒子,還可能具有奇特型態。科學家分別提出各種不同型式的暗物質模型,有些甚至以幾乎不會影響可見物質的力來交互作用。
■複雜型的暗物質可能會形成暗原子與暗分子,甚至凝聚成團,形成隱形星系盤,並與銀河系及其他星系的旋臂重疊;許多實驗已經開始挖掘這類複雜型暗物質的線索。

我們的鄰居,如美麗風車般旋轉的仙女座星系,訴說著宇宙的一個奧秘:即使把已知的物理定律運用到該星系的可見物質,也無法解釋它迅疾的轉動速度。按理說,該星系裡可見物質的重力,應該使它周圍的恆星以較慢的速度運行。如果仙女座星系真的只包含那些可見物質,則這樣快速轉動的星系根本就不應該存在。
宇宙學家相信有某種看不見的物質(暗物質)瀰漫於仙女座星系和其他星系之中,以重力與可見物質交互作用,星系才得以保持高速旋轉。暗物質可能佔據宇宙整體質量約25%,能夠用來解釋宇宙的其他現象,包括星系團中星系的超高速運動、兩星系團碰撞而造成的物質分佈,以及遙遠星系的光因重力造成偏折,即所謂的重力透鏡效應。
最簡單的暗物質理論假設,那些看不見的物質都是由單一種、尚未發現的粒子構成。但經歷數十年的搜尋,科學家依然找不到暗物質粒子的直接證據,無法證實其存在。此外,天文觀測的結果與最簡單的暗物質理論之間,仍有些不一致的現象。由於這些不一致的現象和一直無法偵測到那些看不見的物質,有些科學家便質疑最簡單的暗物質理論,並開始設想其他複雜型式的暗物質。除了單一種粒子外,暗物質或許是由各式各樣的暗粒子構成。畢竟,可見物質可由許多不同種類的粒子構成,或許暗物質也具有類似的複雜性。
過去幾年,科學家逐漸猜想多種不同型態暗物質存在的可能性,更有趣的是,或許有些過往未設想的作用力,可以與暗物質作用,並且對於可見物質的影響非常微弱(甚至完全不影響)。科學家近來對於星系碰撞的觀測,或許可以提供初步證據來支持此假說,而這些作用力也可能協助我們化解最簡單的暗物質理論與觀測之間的某些矛盾。假如暗物質果真存在多種型態,那麼宇宙將比我們想像的更加錯綜複雜而有趣許多。

隱形物質
雖然我們還不知道究竟是什麼構成暗物質,但可以從觀測上得知它如何影響可見物質,也能從數值模擬中理解其重力效應。例如,它的運動速度必定遠低於光速,否則早期宇宙的密度漲落將無法形成我們今日所見的星系結構。由於暗物質並不吸收或發射電磁輻射,因此不帶有電荷。構成暗物質的粒子可能質量很大,不然其運動速度就應該接近光速,而我們已經由早期宇宙的觀測數據否決此事了。再者,這些粒子不會受到束縛原子核的強核力作用,否則我們應該看到暗物質和宇宙射線這類高能帶電粒子發生交互作用。一直以來,科學家相信暗物質或許會透過弱核力(導致放射性衰變)作用,但新近觀測漸漸瓦解了這個想法。(除了暗物質,如果還有其他尚未發現的新粒子,暗物質才可能受到弱核力作用,也符合觀測結果。)
我們也知道,就整個宇宙的時間尺度而言,暗物質必須是穩定的。理由很簡單:因為欠缺可持續產生暗物質的可靠機制,所以暗物質必定是源自大霹靂的太初粒子。當我們說這是一種穩定粒子時,常掩蓋了深刻的真理;粒子的穩定性意味粒子具有「守恆」(即不會改變)性質,因此禁止粒子進行衰變。我們利用電荷來說明這種特性,就物理學而言,除非有什麼原因禁止粒子衰變,否則粒子必然會衰變成較輕的粒子。電子帶有電荷,而已知比它還輕的穩定粒子,只有不帶電的光子與微中子。從能量來看,電子能夠衰變成這些粒子,但電荷守恆禁止這樣的衰變,因此電荷確保了電子的穩定性,電子仍然還是電子。
多數的暗物質理論均假設,暗物質粒子具有稱為「宇稱」的守恆量;暗物質粒子的宇稱是-1,而所有其他已知粒子的宇稱則是+1。暗物質粒子絕不可能衰變成普通粒子,如果暗物質粒子消失、普通粒子增加,那麼就會導致宇稱不守恆。
最簡單的暗物質理論符合物理學家列出的一切條件,該理論假設暗物質是由弱作用大質量粒子(WIMP)構成。(這裡的「弱」指的是一般字義,而非弱核力。)雖然許多理論支持WIMP的存在,但偵測WIMP的困難度顯然超出許多物理學家的想像。自1990年代以來,科學家便進行了各式各樣的實驗,希望藉由WIMP與可見物質之間非常稀有的交互作用來直接偵測。
為達到必要的精準度,這些偵測器全都冷卻到極低的溫度,並深埋在地下,以避免受到無所不在的宇宙射線干擾,產生類似暗物質的訊號。可惜的是,實驗儀器的性能不斷提升,科學家卻始終未曾發現暗物質確切的徵兆。雖然WIMP模型可以解釋我們觀測宇宙的許多面向,但並無法說明一切現象。例如,WIMP模型預測,繞行著銀河系的衛星星系數目遠比我們觀測的還多,而星系中心的暗物質密度,也應該比從觀測星系旋轉運動估計出的更稠密。不過情況正迅速改變,由於暗能量調查(Dark Energy Survey)研究團隊最近發現了許多衛星星系,因此關於銀河系衛星星系數目的問題,可能只是我們尚未全部發現而已。
雖然如此,WIMP模型的這些缺點終究還是為非傳統的暗物質模型敞開了大門。
 

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