無法觀測的物質——宇宙暗物質之謎

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原作：MATT WILLIAMS

翻譯：何永強

校譯：楊欣冉 塗天宇

後臺：李子琦 胡永葳 董騰晨

原文鏈接：https://www.universetoday.com/154148/missing-mass-not-on-our-watch-dr-paul-sutter-explains-dark-matter/

在宇宙總質量中，已知的物質只佔16%，剩下的84%都是暗物質

你是否有時間並且渴望瞭解宇宙的神秘？那麼可以關注保羅·薩特博士。在一段啓蒙之旅中，薩特博士會帶領你觀看一個8集的短劇來探索宇宙的神秘，例如黑洞，氣候變化的未來，生命的起源，還有暗物質（首映集）。

生肉視頻請移步：https://arstechnica.com/science/2022/01/learn-the-mysteries-of-dark-matter-with-ars-and-dr-paul-sutter/#p3

就天體物理學家和宇宙學家而言，暗物質是最經久不衰、最令人沮喪、最令人困惑的謎團之一！那麼，人們一定會想，爲什麼科學家們如此孜孜不倦地追蹤它呢？簡單的回答是：沒有暗物質的話，最廣泛接受的宇宙理論就講不通。長一點的答案是，它既複雜又長！幸運的是，薩特博士成功地在不到15分鐘的時間裡總結了這一切。作爲一個有成就的物理學家，他還解釋了爲什麼追蹤暗物質是如此重要！

簡單地說，暗物質剛好超出了科學知識的邊緣。多虧了愛因斯坦的廣義相對論，科學家們可以計算出大質量物體在宇宙最大尺度上的行爲。然而，在整個20世紀50年代和60年代（相對論的黃金時代），天體物理學家們注意到他們所觀察到的引力現象與可見物質的數量不一致。

我們如何知道它的存在？

薩特博士的這部分解釋簡直不可思議！就像伽利略和愛因斯坦一樣，他用一個簡單的比喻說明了科學家如何研究暗物質：一個站在航船上的人。他說：“半夜的時候，你會看到遠處的海岸上有燈光。現在，這些燈光告訴你海岸是存在的，但它並沒有告訴你任何有關海岸的信息。那裡可能有山脈或叢林，你只是不知道。這就是暗物質的情況。”

暗物質的證據就在我們身邊。正如薩特博士厚臉皮地說道，“我的意思是，我寫了一本關於它的書！”他從手頭的一本中列出了一系列證據。“這是星系的旋轉曲線。這是星系團的溫度。這是光在大質量結構周圍的彎曲。這是宇宙本身的大尺度結構。這是宇宙微波背景。等等。”

寒冷，無碰撞，豐富

但我們對它究竟瞭解多少呢？首先，我們知道它不是什麼，這使得理論天體物理學家可以對它可能是什麼進行限制。正如薩特博士所解釋的，我們對暗物質（DM）的瞭解表明，它符合三個參數：冷、無碰撞和豐富。這就形成了最被廣泛接受的宇宙模型——∧（和暗能量有關的宇宙學常數）冷暗物質（LCDM） 模型的基礎。正如薩頓博士所說：

“無論暗物質是什麼，它一定是冷的，無碰撞的，豐富的。我們想知道暗物質是由什麼組成的，因爲它可以幫助我們理解星系動力學和宇宙的演化。哦，順便說一下，它是目前宇宙中最普遍的粒子。所以，如果能知道它到底是由什麼構成的就好了。”

大亞灣探測器之一，是中國深圳大亞灣反應堆中微子實驗的一部分。

版權:Roy Kaltschmidt/LBNL

這一集的亮點之一，是薩頓博士（藉助於黑板）對DM的理論和實驗基礎進行深刻而直接的總結。對於前者，他解釋了星系的旋轉速度（其質量分佈的結果）如何表明僅靠可見物質無法解釋我們所看到的東西。還有“暗物質暈”的存在，宇宙中的每個星系似乎都有暗物質暈。

“每個暈的尺度密度和尺度半徑都是不同的數字，但無論如何，它們都有一個共同的形狀，形狀看起來是密度作爲半徑的函數，開始是這樣的，然後下降，”他說。“尺度半徑告訴我們斷點在哪裡。它告訴我們一些關於暗物質暈演化的有趣的事情。”

薩特博士說，本質上，這些暈表明DM形成了一種緻密的、集中的球狀結構，隨着時間的推移，它會積聚更多的DM粒子。這些暈的形成與星系的形成和演化以及宇宙的大尺度結構有着內在的聯繫。這就是爲什麼科學家們對詹姆斯·韋布、南希·格雷斯·羅曼、歐幾里德和其他觀測宇宙起源的任務如此興奮的原因之一——這將是一個觀測這個過程的機會!

候選粒子

至於探測DM是由什麼構成的，在一個水箱，許多塑料球(視頻中的6m50s)，以及一位客座專家的幫助下，薩特博士提供了一個大綱。正如他所說的，“每一個要打發時間的理論家都在創造他們自己的關於暗物質如何工作的理論，而我們有這麼多的候選理論。”例如弱相互作用大質量粒子（WIMPs）、自相互作用暗物質、軸子和類軸子粒子，以及原始黑洞和惰性中微子等等。

日本的中微子探測器“超級神岡，”裝有5萬噸超純水，周圍用光電倍增管包裹。

版權:超級神岡天文臺

“但真正重要的是，所有這些不同的想法，所有這些不同的理論都預測了暗物質在我們的宇宙中可能的行爲，”薩特博士說。“然後我們可以嘗試去探測它，觀察它，以某種方式看到暗物質並證明其中一個假設是正確的。”目前探測DM候選粒子的努力包括中微子探測器，如南極洲的冰立方天文臺，安大略省的SNOLAB設施，以及日本的超級神岡天文臺(見上圖)。

這些設施通常位於地下，在完全黑暗的環境下運行，以確保沒有來自電磁源的背景干擾。通過這種方式，探測器可以發現DM候選粒子之間相互作用或與正常物質相互作用的百萬分之一機率所產生的最小的能量釋放。爲了公正地評價DM的這方面，薩特博士請著名的理論宇宙學家珍娜·萊文教授，哥倫比亞大學巴納德學院物理學和天文學的克萊爾·陶教授進一步解釋。

萊文教授提出的一個突出觀點是，DM確實存在，而且已經被觀察到，但它有幾種形式（其中大部分沒有被解釋）：

中微子絕對是暗物質的一個物理上不可否認的可證實的例子。它們不與光相互作用。它們擁有暗物質的所有屬性，但它們的質量或數量不足以解釋在宇宙的總能量中佔據的極端優勢。所以，如果你想象一下宇宙的能量餅圖，讓我們粗略地說，暗物質大約佔了25%。

所以，我認爲問題是，真的有重中微子嗎？這基本上是很多人在尋找的。他們正在尋找比中微子重得多、不符合我們對粒子物理學傳統理解的弱相互作用大質量粒子（WIMPs）。

被稱爲弱相互作用大質量粒子的暗物質粒子相互湮滅，產生一系列的粒子和輻射，其中包括中等能量的伽馬射線。

版權:Sky & Telescope/Gregg Dinderman.

她強調的另一個重點是，關於DM在宇宙演化過程中的參與，還有許多未解決的問題。這超越了星系的演化，還包括重子形成和物質/反物質不對稱的問題。它們分別指的是宇宙中重子(正常)物質的誕生，以及在早期宇宙中物質是如何超過反物質的。

萊文教授說:“我們知道，出於某種原因，物質比反物質更受青睞。”所以有一點點的超過。暗物質應該在其中發揮作用嗎？也許，從經濟學的角度來看，人們希望如此，但我們真的不知道。所以，如果我們發現了暗物質，我們的希望肯定是，哇，它能解釋重子形成嗎？它在更大的框架中又有什麼意義呢？”

是的，這是一個巨大的、令人沮喪的、複雜的問題。但是在聽了薩特博士和萊文教授講完所有相關的細節之後，就明白了爲什麼DM和對它的研究對現代科學如此重要。正如薩特博士總結的那樣，暗物質不僅僅是一種假設。它是理解宇宙中各種現象的框架，但就像一座尚未完工的房子。我們有基礎。我們只是還不能生活在那裡。這就是暗物質處於知識邊緣的原因。

責任編輯：邱煜欣

牧夫新媒體編輯部

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圖片來源: NASA/Joel Kowsky

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