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2020-08-25 14:00
五条线索,“缉拿”暗物质

长期以来,暗物质因其神秘的属性一直是学术界和科学爱好者关心的话题。主流观点认为,由于暗物质的存在才有了我们今天的宇宙。但科学家是如何断定暗物质存在的?如今哪些模型能合理解释?缉拿暗物质,出发!


本文来自微信公众号:朴(ID:fanpu2019),作者:董唯元,题图来自:《星际穿越》


在科普作品中,暗物质和暗能量就像一对孪生兄弟,几乎总是被同时提及,但其实二者的历史身世差别很大。人们感知到暗能量只是最近20多年的事,而对暗物质的认识则已超过135年,而且期间关于暗物质特性及作用的理解也经历了数次重要刷新。


线索一:额外引力源


早在1884年,当研究者利用银河系中恒星运动速度估算星系总质量时,就发现许多恒星的运动速度比预想快很多。如此高速运行的恒星似乎早该脱离其运行轨道,除非星系内还存在大量无法直接观测到的物质来提供额外的引力约束。根据计算,那些不发光的隐身物质总量远远超出了所有可观测天体的总量。无人能解答这些物质究竟是什么,暗物质也因此得名。


图中纵坐标V代表恒星运行速度,横坐标R代表到星系中心距离,实线为实际观测结果,虚线是由可见物质质量估算的理论结果。本图内容为2019年的观测分析结果,早期的观测虽然也得出同类定性结论,但精度和完整性都逊色一些。图片来源:Salucci, P. The distribution of dark matter in galaxies. Astron Astrophys Rev 27, 2 (2019). https://doi.org/10.1007/s00159-018-0113-1


这一反常现象最初并没有引起研究者过多关注,要知道当时受观测技术和理论模型两方面制约,天文观测中难以理解的现象可以说俯拾皆是。相比之下,几颗运行速度过快的恒星这种事,尽管不断被研究者重复发现,也实在不能算什么了不起的现象。


直到20世纪70年代,随着技术进步和理论完善,大量的观测数据越来越清晰地显示,不仅银河系存在这种神秘的额外引力源,其他河外星系也都普遍存在,而且在每个星系中,这种隐身物质的总量都恰好是可观测质量的6倍。这便是暗物质给我们留下的第一条明确线索,自此,暗物质才正式被立案侦查。


根据运行速度推算,银河系暗物质分布远超过可见物质分布范围。图片来源:Roger Freedman, Robert Geller, William Kaufman. Universe (10th edition) Chapter 22, Our Galaxy.


线索二:引力透镜


最容易想到的怀疑对象,自然是那些恒星演化晚期产物,也就是那些恒星核聚变反应之后剩下的冰冷残骸。我们的银河系已经存在了一百多亿年,几乎跟宇宙的寿命同样古老。既然这个火堆持续燃烧了一百多亿年,那么其周围弥漫着大量浓雾黑烟,似乎也是个蛮符合直觉的图景。


然而研究者很快就发现,暗物质与恒星残骸有一个重要区别:暗物质是透明的。尽管我们周遭充斥着6倍于普通物质的暗物质,但没有丝毫阴天的感觉,那些来自银河系外的光线可以畅通无阻地到达我们身边。更有意思的是,暗物质一方面对光完全透明,另一方面其质量所产生的引力场又像普通物质一样,可以掰弯擦身而过的光线。



这种由质量产生的光线偏转,可以产生“引力透镜”效果。一个藏在大质量天体背后的光源所发出的光线,会被大质量天体掰弯后射入我们的天文望远镜,于是我们在天空中便会见到一些有趣的图像,就好似透过玻璃瓶底所看到的亮光。


图中显示的是强引力透镜效应所产生的爱因斯坦环,较为直观但相对比较少见。更为常见的是弱引力透镜和微引力透镜效应所产生的位置偏移或图像形变,需对同一方位多次拍摄并进行位置比较才能发现。图片来源:Wikipedia


虽然普通天体和暗物质团都会产生引力透镜效应,但区分二者的方法很简单,因为暗物质本身对光透明,所以其质量产生的引力透镜效果就像电影中身上淋了水的隐形人,非常容易辨别。


图片来源:电影《隐形人》


正是基于引力透镜这第二条线索,研究者才得以非常准确地判断暗物质的位置、形状甚至运行姿态。另外根据光线偏转的程度,还可以推算暗物质的质量。原本神秘的暗物质,就这样乖乖地现出了身形。


借助引力透镜这一强力手段,研究者不仅很快绘制出各个方位暗物质分布图,而且颇为意外地在一场“车祸”现场中,发现了暗物质存在的有力证据。


线索三:子弹星云


在距我们37亿光年处,曾经发生过一起惨烈的星系对撞事件,至今在夜空中仍可以看到两星系相互穿过对方1亿年之后的样子。


子弹星云X射线图,图片来源:Wikipedia


照片中可以看出,两个星系的发光物质主要集中在两片白色区域,红色区域次之,蓝色区域最少。然而通过引力透镜效应分析,研究者惊奇地发现,实际质量聚集的区域并不在亮度最高的地方,而是跑到了发光物质的前面。


图片来源:Astrobites.org


这说明在两星系碰撞并相互穿行的过程中,大量不发光的物质都顺畅地擦肩而过,只有那些发光的物质相互粘滞摩擦,放慢了脚步。这一现象非常契合此前人们对暗物质秉性的认识,暗物质之所以对光透明,就是因为不参与电磁相互作用。这一特性同时也使暗物质像幽灵鬼魂一样,可以顺滑地穿过几乎任何物体。而由普通物质构成的我们,无法像崂山道士那样穿墙,撞击地球的陨石也无法悄然穿行而过,则都是碍于电磁作用的羁绊。


这种极为罕见的光源与引力源分离现象,不仅是暗物质存在的最有力证据,同时也具有筛选检验理论模型的重要意义。子弹星云这个对撞现场,也就成了各式暗物质理论模型的天然实验场。


线索四:宇宙的结构


除了子弹星云这个直观的实验场,理论模型还有另一个更为重要的测试场景,那就是大爆炸之初的早期宇宙。在那个局促又炽热的环境中,整个宇宙就是一锅等离子体浓汤,电磁相互作用的影响远大于引力作用。在经历快速暴胀的过程中,粒子间相互远离,电磁相互作用也就随之快速减弱,一锅浓汤就变成了一盘散沙。


那么后来这些散落的粒子又是如何汇聚成星系的呢?答案只能是依靠引力作用。但是如果宇宙中没有暗物质,仅依靠普通物质所产生的引力,暴涨之后的一盘散沙根本不具备足够引力。在那样的宇宙中,不要说再次聚合成星系,就连找到几个比质子更大的粒子都很难实现。


幸好存在对电磁作用无感的暗物质,才使我们的宇宙并没有过于零散。在那锅浓汤之中,纵有高能等离子动如疯兔,暗物质仍可静若处子,为宇宙的整体结构撑起稳当的骨架。而普通物质在降温过程中会因暗物质的引力作用,依附在暗物质骨架结构之上,不仅避免了过度均匀的分布形式,也在不经意间描绘出暗物质骨架的形状。


从前面线索一中罗列的事实也可以看出,构成星系的真正主角其实就是暗物质,我们日常熟悉的普通物质天体,都只是镶嵌在一大群暗物质团块中的小小点缀而已。借助引力透镜效应,研究者已经可以直接勾画出包括暗物质在内的宇宙大尺度上丝状结构。


在宇宙大尺度结构中充满暗物质。图片来源:burro.case.edu


研究者也曾多次在电脑中模拟宇宙创生和结构形成过程,并通过调整初始参数来考察形成当今宇宙面貌所对应的条件。几乎所有模拟都明确的显示,暗物质是我们宇宙中必不可少的构成,如果没有暗物质,宇宙将无法成为今天的样子。


图片来源:universetoday.com


线索五:重子声学振荡


虽然在大爆炸之后几秒内便已经出现光子,但在相当长的一段时间里,宇宙里充斥着等离子电浆,光子根本无法自由穿行。直到37.7万年之后,温度冷却到原子核和电子结合成电中性的原子,宇宙才结束了“黑暗时期”,出现了第一批畅快云游的光子。那批光子至今仍可以被我们看到,这就是宇宙微波背景辐射。当我们环顾四面八方的微波背景辐射,其实看到的就是宇宙在37.7万岁时的样子。


宇宙微波背景辐射,图片来源:Wikipedia


在专业人士眼中,这张貌似混乱的照片里,蕴藏着大量极为珍贵的信息,其中最主要的就是“重子声学振荡”(BAO,baryon acoustic oscillations)。所谓BAO,简单地说,就是质子和中子这样的重子,其分布密度高低变化的涟漪。


前面已经提到过,婴儿宇宙是等离子浓汤,暗物质就像锅里的水,重子均匀地溶解在其中。别忘了这是一锅充满能量沸腾翻滚的浓汤,注定没办法安安静静地时刻保持平稳均匀。那些在汤中回响的“噪声”,就会使重子的密度分布产生相应变化。今天留在宇宙微波背景辐射中的微小高低起伏,就是当初那锅浓汤中的声学振荡所产生的涟漪。


宇宙结构的艺术图,灰色的球体显示了来自早期宇宙的“重子声学振动”的模式。图片来源:astro.ucla.edu


通过仔细分析宇宙微波背景辐射中的波动谱,我们不仅可以“听”出婴儿宇宙的各种音调,继而判断出许多当时宇宙的物理性质,于是BAO痕迹就像暗物质留下的指纹一样,成了验证各类暗物质假设的重要比对工具。


另外,BAO所描述的初始分布状态也是一把“标准尺”,可以丈量后续宇宙膨胀过程中的空间变化情况。这把“标准尺”背后的原理很容易理解,就像我们借助缩小的地图和比例尺信息在陌生城市里定位一样,BAO也会告诉我们在多远距离上找到星系的概率更大。


只不过当我们抬头仰望星空的时候,看到的是那些天体在不同时间点的样子,这样刚好可以把历史时间因素代入进来,从而帮助我们在当下时刻就可以通过对比标准尺的方式纵览宇宙一生的所有时刻。


图片来源:scienceblogs.com, Ethan Siegel, What the hell are Baryon Acoustic Oscillations?


“嫌疑犯”名单


回顾了暗物质的五条重要线索之后,让我们回到一个最基本的问题:暗物质到底是什么?这个问题显然尚在探索之中,距离答案揭晓还有很长一段路要走。不过从前面列出的线索中,我们已经有了很多评判依据,再面对理论研究者提出的各式模型时,便可以比较有底气地取舍。


目前关于暗物质的理论模型五花八门千奇百怪,总体大致可分成下列表格中所包括的几种类别。



排除熟悉面孔


以MOND(modified Newtonian dynamics)为代表的一类理论,虽然剑走偏锋,却也在学界据一席之地。这一理论认为根本不存在暗物质,在星系中观察到恒星速度过快的真正原因,并不是额外引力源,而是我们的现有引力理论有待修正。这一理论扩展到相对论语境下,就是TeVeS(Tensor–vector–scalar gravity)理论。


这一理论起初对引力的修正方式并不自然,引入附加参量的途径显得有些突兀,但几年前,荷兰物理学家Verlinde教授提出熵引力理论,解释了MOND中修正项的可能来源,算是为MOND理论补上了这一薄弱环节[1]


当然MOND理论的硬伤仍然十分明显,比如面对子弹星云这种暗物质与光源错位分离的情况时,MOND很难提供足够有力的理论说明。尽管通过努力构造,勉强可以实现非对称的引力场效果,但其中的刻意味道过重,实在缺乏物理上的说服力,因此未成为主流。


同样被子弹星云所否定的理论,还包括MACHO(massive compact halo objects)等宏观暗物质这一类。如果暗物质是星系中燃烧之后的灰烬残骸,那么这些残骸显然应该落后于光源的运动,而不是像子弹星云所显示的那样跑在光源的前面。即使MACHO中包含的不是燃烧残骸,而是自宇宙诞生之初便已经存在的原初物质,只要这种物质在碰撞过程中会受电磁作用影响,就无法合理解释子弹星云展现的图像。


另外,MACHO这一类理论也很难从宇宙大尺度结构,或者微波背景辐射的BAO所携带的信息中获得观测支持。事实上,支持MACHO的研究者,本质上是否认了早期宇宙浓汤中存在有发挥特殊作用的暗物质。而诸多观测事实都倾向于认为,暗物质必须足够早的介入宇宙演化,才有可能产生如今的样貌,否则大爆炸至今都无法形成星系,只有满眼的一片散沙。


根据已经发现的线索来看,扮演暗物质的几乎不可能是任何现有已知物质,只可能是已知粒子的某些特殊状态,或者干脆就是一些尚未探知的新粒子。


寻找隐形的守护者


一些理论研究者在现有标准模型框架内,像拼接乐高一样寻找着各种可能的搭配,并逐一试探其物理性质是否符合暗物质的特点。这类工作偶尔也会取得些进展,比如有研究者发现一种由6个夸克构成的粒子,可以比较好的符合预期要求。不过这类工作总体上仍属于小众分支,更多的研究者都将注意力集中在如何修改扩展现有标准模型,从而提出新型粒子的理论模型。


事实上,在大多数理论研究者心目中,暗物质的研究早已经与标准模型扩展融合在一起——暗物质也在守护我们的大厦不会倒塌。自中微子振荡、强CP问题等现象被发现之后,现有标准模型就已经铁定存在不足,必然需要修订。由此推动的一些研究进展,如跷跷板机制和PQ对称性等理论,已然成为相关研究领域内尽人皆知的热点话题。


另外早已提出多年的超对称理论,虽然迟迟未被实验证实,但其优雅的形式令许多理论研究者始终不愿放弃,仍在努力将其变成标准模型扩展的众多可能选项之一。


这些理论延展工作所提出的新模型中,都会出现一些新粒子,其特性非常符合暗物质的特性。目前最惹人注目选项之一是轴子。如果实验能够证实发现轴子,那么不仅可以捕获一个暗物质粒子,同时还可以一举解决困扰物理学家很久的强CP问题,从而把关于对称性和反物质的理论认识提升到一个新的高度。


参考资料

[1] https://arxiv.org/abs/1611.02269


本文来自微信公众号:朴(ID:fanpu2019),作者:董唯元,题图来自:视觉中国

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