自1922年天文學(xué)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(lǐng)域中總是流傳著這樣的冷笑話——暗物質(zhì)確實是回事兒!(Dark 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(xué)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(rèn)。最初弗里茨·茲威基(Fritz Zwicky)與揚(yáng)·奧爾特(Oort,Jan Hendrik)分別敏銳地發(fā)覺,星系中應(yīng)當(dāng)存在更多看不到的物質(zhì)(茨威格從后發(fā)星系團(tuán)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(yīng)當(dāng)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(xué)家之一便是杰出的女性科學(xué)家薇拉·魯賓
星系被包裹在巨大的暗物質(zhì)團(tuán)塊當(dāng)中,這些團(tuán)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(yīng)符合牛頓力學(xué)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(tuán)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(xué)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(xué)家們認(rèn)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(yīng)(當(dāng)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(tuán)塊(藍(lán)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(tuán)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(xué)家波丹·巴欽斯基(Bohdan Paczynski)在20世紀(jì)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(jìn)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(xué)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(jìn)入科學(xué)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(yùn)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(jī)技術(shù)興起,多體模擬得以在計算機(jī)中實現(xiàn),因此科學(xué)家們就能夠以這些粒子的性質(zhì)作為變量,使用計算機(jī)來對于宇宙的演化進(jìn)行數(shù)值模擬,熱暗物質(zhì)粒子是最先被丟進(jìn)這類模擬當(dāng)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(tuán)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(jìn)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(yīng)運(yùn)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(qiáng)度都在電弱相互作用量級的基本粒子,不參與電磁和強(qiáng)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(xué)模擬也如火如荼地進(jìn)行起來,天體物理學(xué)家詹姆斯·皮爾布斯(James Peebles, 因為其在宇宙學(xué)領(lǐng)域的諸多貢獻(xiàn),2019年被授予了諾貝爾物理學(xué)獎)率先利用多體模擬技術(shù)實現(xiàn)了對冷暗物質(zhì)宇宙模型的數(shù)值模擬??茖W(xué)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(xué)家還沒能抓住一顆暗物質(zhì)粒子,不過計算宇宙學(xué)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(jī)的數(shù)據(jù)處理速度都大幅提升后,科學(xué)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(xué)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(xué)
除了尖頂與內(nèi)核問題,在冷暗物質(zhì)模擬當(dāng)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(xì)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(dāng)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(tuán)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(xué)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(yīng)運(yùn)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(jìn)行間接測量。
科學(xué)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(yīng),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(yuǎn)鏡對超暗矮星系Leo IV的光學(xué)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(yuǎn)遠(yuǎn)超出現(xiàn)有人類所有的計算機(jī),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(xué)者所認(rèn)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(yuǎn)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
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