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自1922年天文学家雅各布・卡普坦(Jacobus Kapteyn)首次提出星系中可能存在不能见的物质以来,人类对暗物质的探索已经渡过了近一百个春秋,却依旧没能揪住这诡秘物质的一丁点尾巴。暗物质研究领域中总是撒播着这样的冷笑话――暗物质确实是回事儿!(Dark matter is matter.)然而玩笑背后,这样一种看不见摸不着,只能依附引力感受的物质也着实让科学家们抓破了头。

捉摸不定,从未现身

由于不会辐射电磁波,同时也不吸收和反射电磁波,同重子物质之间也仅存在引力相互作用,暗物质的存在直到近代才逐步被发现和确认。最初弗里茨・兹威基(Fritz Zwicky)与扬・奥尔特(Oort,Jan Hendrik)划分敏锐地觉察,星系中应当存在更多看不到的物质(茨威格从后发星系团出发,而奥尔特从银河系出发),这些物质的存在直到薇拉・鲁宾(Vera Cooper Rubin)最先考察星系的自转曲线才初见眉目。

若是只有重子物质存在,星系自转曲线应当同红线一样平常在星系外围迅速衰减,然而现实的考察却发现并非云云,这意味着星系外围有着大量“看不到”的物质存在。率先发现这一征象的科学家之一即是卓越的女性科学家薇拉・鲁宾

星系被包裹在伟大的暗物质团块当中,这些团块我们称之为暗物质晕。若是只有那些可以发光的重子物质,星系外围的自转曲线本应相符牛顿力学和开普勒定律,很快地在星系外侧削减为零,但现实上由于暗物质晕的存在,它们出现出平展的图形,这同只有重子物质存在的星系自转曲线是截然差其余。

除此之外,由于存在引力作用,恒星或者星云的光在经由暗物质晕的时刻会被扭曲,从而形成引力透镜征象。由于暗物质自己不发光,以是暗物质作为引力透镜是极为理想的。借助于这一工具,我们甚至能探测到星系碰撞时暗物质晕同中央的星系发生星散的子弹星系团征象。然而以上探测方式都属于间接丈量,暗物质的属性是云云捉摸不定,时至今日,科学家仍未能直接(在粒子物理层面上)探测到暗物质的存在。

暗物质的候选物浮出水面

最初天文学家们以为所谓的暗物质,正是那些在宇宙中不发光的天体的总和――黑洞、褐矮星、行星等天体,它们被称为晕族大质量高密度天体(Massive Astrophysical Compact Halo Objects,简称:MACHOs)。虽然这些天体不发光或者发光极其微弱,但我们依然可以通过微引力透镜效应(当质量较小的透镜天体经由靠山天体前方时引起的延续时间较短的亮度暂时上升征象)来考察到它们。

发生碰撞的星系X射线波段考察(红色)与通过引力透镜盘算出的暗物质团块(蓝色)位置漫衍的图像,由于暗物质同重子物质不发生碰撞,因此在子弹星系团中会先跨越星系,从而发生星系和暗物质晕中央错位的征象。版权/NASA

波兰天文学家波丹・巴钦斯基(Bohdan Paczynski)在20世纪80年月提议了对麦哲伦星云的MACHO巡天设计,对巨细麦哲伦星云举行了多次长时间考察,以寻找其中的微引力透镜事宜。然而巡天项目效果注释,至少在巨细麦哲伦星云中,MACHOs的数目远远无法知足暗物质的存在所需要的质量,因此这一假说很快便被否认了,因此科学家们只好向基本粒子追求解答。

无法形成小结构的热暗物质

中微子和一些轻子是最先进入科学家视角的基本粒子,它们质量很小,呈电中性,同时可以在宇宙中大量存在。只不外中微子质量极小,在宇宙中甚至可以靠近光速运动,这就意味着它们在宇宙早期冷却下来的时间较晚,甚至比重子物质还要更晚。这些粒子被作为热暗物质(Hot Dark Matter,简称HDM)的候选物。

暗物质模子被提出的时刻恰逢盘算机手艺兴起,多体模拟得以在盘算机中实现,因此科学家们就能够以这些粒子的性子作为变量,使用盘算机来对于宇宙的演化举行数值模拟,热暗物质粒子是最先被丢进这类模拟当中的。但在数值模拟之下,热暗物质模子也是最先被踢出暗物质候选者阵营的。

这是由于热暗物质模子中,暗物质粒子是一些能量极高的轻粒子,它们速率很快,在宇宙演化中要很晚才气冷却减速依附在星系周围形成暗物质晕。然而依据宇宙微波靠山的考察效果,宇宙是从一个高度平均的状态最先膨胀的,在这个条件下,热暗物质粒子无法在数值模拟中形成星系这样“小尺度”(在宇宙之中,星系的尺度简直小的可怜)的团块,然而在宇宙中我们已经能够考察到低于热暗物质阈值的小尺度结构,以是这一模子很难对现有的小尺度结构举行注释,自然就被从候选者中清扫了

似乎完善的冷暗物质

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有了热暗物质作为参考,冷暗物质(Cold Dark Matter,简称CDM)模子也便应运而生,这类模子是对那些质量较大的,速率更小的粒子的统称,它们被称为弱相互作用大质量粒子(Weakly Interacting Massive Particles,简称WIMPs)。弱相互作用大质量粒子是质量和相互作用强度都在电弱相互作用量级的基本粒子,不介入电磁和强相互作用。由于WIMPs自己的物理性子极其不活跃,因此很难直接寻找到它们,不外基于这种意料,众多物理实验得以确立起来。

同时,基于冷暗物质模子的宇宙学模拟也如火如荼地举行起来,天体物理学家詹姆斯・皮尔布斯(James Peebles, 由于其在宇宙学领域的诸多孝顺,2019年被授予了诺贝尔物理学奖)率先行使多体模拟手艺实现了对冷暗物质宇宙模子的数值模拟。科学家们惊讶的发现,这种暗物质模子险些完善地再现了整个可考察宇宙的现况

虽然粒子物理学家还没能捉住一颗暗物质粒子,不外盘算宇宙学的科研职员们已经在硬盘中模拟出了整个宇宙随着暗物质和重子物质配合演化的历程。冷暗物质模子对于宇宙的还原是云云贴切,时至今日依旧是暗物质候选者中的大热门。无碰撞的冷暗物质模子能够很好地相符现在的考察效果――在大部门时刻,事实上,在数值模拟中可以使用的粒子数与盘算机的数据处置速率都大幅提升后,科学家们发现:它也并非完善

首先泛起的是尖顶&内核问题(cusp and core proplem)。冷暗物质模子的密度漫衍相符NFW密度曲线(Navarro,Frenk & White density profile, 这一密度漫衍形式以构建它的三名科学家命名),这意味着在冷暗物质模子的中央,物质密度将会是发散的,也就是说暗物质晕的中央存在一个密度极高,甚至是无限大的区域。而现实上这样无限大的区域并不存在,虽然星系的中央往往存在超大质量黑洞,然则冷暗物质模子中的高密度中央的尺度比超大质量黑洞要大得多,以是两者无法一概而论。

数值模拟中,热(左)、温(中)、冷(右)暗物质模子,在宇宙早期(上)以及现在(下)阶段宇宙中的物质漫衍结构,随着暗物质“温度”逐渐降低,能够形成的小尺度结构就越麋集。版权/苏黎世大学

除了尖顶与内核问题,在冷暗物质模拟当中泛起的另一个问题也很快凸显出来,冷暗物质模拟的效果显示了大量的小尺度结构――比热暗物质多得多。就像人们所说的,旱的旱死,涝的涝死,冷暗物质宇宙在模拟下泛起的众多精致结构完全没有被现有考察手段所考察到――但这倒也在情理之中。

由于冷暗物质宇宙当中,暗物质粒子比重子物质更早冷却下来,形成暗物质晕,然后重子物质再逐渐落入其中形成星系团和星系。因此对于那些很小的暗物质晕,将只会有很少的重子物质落入其中,甚至有些更小的暗物质晕中将没有任何重子物质。在人类现有的探测能力下,这些暗物质子结构自己就很难被发现,更不必说统计他们的数目了。

冷暗物质(左)与自相互作用暗物质模子(右)中暗物质漫衍的示意图,图中颜色越红代表密度越大。版权/林航平

不外敏感的科学家们很快就意识到,若是稍微改变模子,无论是尖顶与内核问题,照样过多的子结构问题都将获得解决,温暗物质(Warm Dark Matter,简称:WDM)模子应运而生。

探索暗物质晕的极限

暗物质的属性决议了我们很难直接接触并研究这种物质,不外幸亏它的诸多性子照样能够举行间接丈量。

科学家们真的有设施直接找到暗物质晕吗?有可能。暗物质晕自己不发光的特征使得它们成为了绝佳的引力透镜天体,行使引力透镜效应,我们可以“轻松”找到这些暗物质晕。只不外宇宙是云云众多,即便星辰遍布天穹,暗物质晕大量存在,暗物质晕正好位于恒星之前的概率依旧异常低。

哈勃望远镜对超暗矮星系Leo IV的光学波段考察,内里真的什么都看不着。版权/NASA

而暗物质的数值模拟之路也尚未到头。宇宙级其余演化所需要的盘算量远远超泛起有人类所有的盘算机,但我们可以通过逐级放大的方式将这偌大的宇宙逐渐放大,最终获得足够“微观”的宇宙效果。对种种暗物质模子的深入研究,正吸引着大批科研事情者。虽然冷暗物质模子现在为宽大天文学者所认同,但这一模子中依旧存在诸多问题暂时无法获得合理的注释。

暗物质的本质事实为何?也许再过几年――或者几十年,我们终将揭开暗物质的神秘面纱;也或许,犹如可控核聚变那样,我们距离暗物质的真相永远还差50年。

作者简介

刘孜铭,笔名猫又,国家天文台博士在读,顺便用天眼看看仙女座大星云。

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