我们为什么需要暗物质？

原文标题：Why we need dark matter作者：Francis Reddy 原文来自：Astronomy   Posted：2017年11月刊编译：京晶   审校：数星星的猫 （编译版权所有，未经许可请勿转载）

　　在宇宙的年龄只有现在的一半大时，“大胖子”（El Gordo）是已知当时质量最大的星系团。哈勃空间望远镜为它拍摄的照片显示，星系团里弥漫着发射X射线的气体（粉色），也有大质量的暗物质晕（蓝色）。就像哈哈镜扭曲了你的脸一样，暗物质也会弯曲背景天体发出的光。根据这一点，科学家可以推知暗物质的存在。（图片来源：NASA, ESA, J. JEE, J. HUGHES, F. MENANTEAU, C. SIFON, R. MANDELBAUM, L. BARRIENTOS, AND K. NG.）
　　从欧洲空间局的普朗克卫星对宇宙微波背景辐射（最早的宇宙辐射遗迹）的最新研究中，天文学家知道了在我们周围所有可见的物质（包括我们身体里的、在日常生活中见到的、构成行星、恒星、星云和星系的那些物质）全部加起来也只不过占宇宙质能总量的4.9%。
　　相比之下，还有一种我们不知为何物的物质——暗物质——占了宇宙当前物质总量的26.8%，比普通物质多出5倍。宇宙中剩余的那部分质能来自于暗能量。它产生负压力（即排斥力），使空间在过去的50亿年里加速膨胀，并且将决定宇宙的最终命运。在这里我们先不谈它，我们关心的是实物物质。
　　此刻，就有暗物质环绕在你的周围。不用四处张望——不管怎样，这么做也没有用。在宇宙中，超过80%的实物物质都是暗物质，但它们既不发光、也不吸收光，主要通过引力（大自然中最微弱的力）与其它物质发生作用。天文学家通过星系的旋转、星系团偏折光的传播路径、网状宇宙大尺度结构、还有宇宙微波背景辐射看到它产生的影响。他们甚至在氢和氦（宇宙诞生后的最初几分钟里形成的轻元素）的丰度里也能看到它的身影。如果没有这种我们目前无法探测的、在宇宙早期结构开始形成时运动得比较慢（即温度低）的物质，我们就无法解释这些观测。
　　2015年，天文学家在3亿3千万光年远的后发星系团里，发现了一个模糊的、几乎毫无特征的巨大星系，给它起名叫蜻蜓44。现在，一个由耶鲁大学的Pieter van Dokkum和多伦多大学的Roberto Abraham主持的观测项目——用蜻蜓长焦望远镜阵（Dragonfly Telephoto Array）不断找到更多的低面亮度且毫无特征的大质量星系。这些星系被称为超级弥漫星系，蜻蜓44就是此类星系中的一个。

　　超级弥散星系蜻蜓44几乎只含有暗物质。左图是双子（北）望远镜用多天体摄谱仪为它拍摄的广角图像。右图是左图的特写，展示了暗弱的、细长的星系与它的球状星团。（图片来源：PIETER VAN DOKKUM, ROBERTO ABRAHAM, GEMINI, 斯隆数字化巡天）
　　蜻蜓44的不同寻常之处在于它的恒星太少，在拥挤的星系团里应该很容易就被拉扯散架了。Dokkum与同事用夏威夷莫纳克亚山上的凯克望远镜II和双子（北）望远镜研究这个星系内的恒星运动情况，由此确定了它的质量。这个星系的质量与银河系的质量差不多，只是其质量的99.9%都是由暗物质贡献的。研究人员认为蜻蜓44是“演化失败的银河系”，可能在它年轻的时候，有某种未知的机制把本该用来制造恒星的气体给剥走了。

　　计算机模拟描绘了在类似银河系大小的暗物质晕中，子结构如何随时间演化。（图片来源：VOLKER SPRINGEL，马普天体物理研究所）
　　不管怎样，模拟宇宙结构演化的计算机数值模拟需要暗物质才能让星系形成。小暗物质晕先坍缩，在它们的引力拉扯下，普通物质聚集起来形成小星系。这些小星系再碰撞、并合，形成更大的星系。这种“自下而上”的物质聚集过程提示天文学家不能只盯着我们周围的那些类似银河系的大星系，应该多研究留下来的遗迹——例如矮星系及其被剥离出来的恒星流。像蜻蜓44那样的超级弥漫星系为天文学家提供了一个调整理论使其符合观测的机会。
　　“撞车”星系团
　　星系可以聚集形成小到只有几十个成员的星系群，大到向后发星系团那样有大约上万名成员的星系团。作为宇宙中最大的引力束缚体，星系团的典型大小为几千万光年，质量达到、甚至超过百万亿倍太阳质量。星系团充斥着温度超过2千万华氏度、发出X射线辐射的高温气体。这些气体的总质量一般是星系团成员星系总质量的两倍。即便如此，如果没有暗物质（一般占星系团质量的85%）的帮助，这些宇宙巨兽就会分崩离析。其实，后发星系团和室女星系团里星系的运动情况为我们提供了第一批证据，证明星系团内必有暗物质。
　　正在碰撞的星系团则为天文学家提供了一个探索各种物质如何相互作用的机会。在38亿光年远的船底座子弹星系团里，一个小星系团在过去的2亿年里，以1千万英里每小时的速度从一个大星系团中穿过。2000年，美国宇航局（简称NASA）的钱德拉X射线天文台观测到在小星团身后跟着一个角锥状的X射线气团（弓形激波）。虽然两个星系团里的星系只是彼此擦肩而过，没有发生相互作用，但星系团里的热气体却被一种类似于空气阻力（冲压剥离, ram-pressure stripping）的拉力拽离开星系和星系团的暗物质晕。

　　这是子弹星系团里有暗物质的不寻常的证据。两个星系团在碰撞后形成子弹星系团。一个星系团在从另一个星系团里穿过时，它的炽热气体呈现出子弹的形状（右侧的粉色团块）。蓝色区域是占绝大部分星系团质量的暗物质，与气体截然分开。（图片来源：X射线: NASA/CXC/CFA/M. MARKEVITCH ET AL.; 光学: NASA/STSCI; MAGELLAN/U. ARIZONA/D. CLOWE ET AL.;透镜图像: NASA/STSCI; ESO WFI; MAGELLAN/U. ARIZONA/D. CLOWE ET AL.）
　　星系团里的暗物质总量很大，足以弯曲时空，使遥远天体发出的光的传播路径发生明显偏折。借助弱引力透镜效应，天文学家可以通过测量背景星系被扭曲的形状，来测绘出两个星系团里暗物质的空间分布。另一种名为强引力透镜效应的技术通过寻找背景天体的多个畸变像来达到同样的目的。天文学家运用这两种方法测量子弹星系团内的暗物质分布，得到了同样的结果：两个暗物质晕也和星系一样，没有发生过相互作用的迹象。对其它“撞车”星系团展开的类似研究也表明，暗物质不仅存在于那些星系团里，而且起着主导作用。
　　离开标准模型
　　粒子物理学家根据自己的理由来断定新粒子的存在，其中有不少新粒子正好可以扮演暗物质的角色。20世纪70年代初发展起来的粒子物理标准模型，用四种已知的基本作用力中的三种（电磁力、原子核里的弱相互作用和强相互作用）来描述基本粒子（如电子和夸克)相互作用产生的各种现象。标准模型新近取得的成功是2012年，欧洲的大型强子对撞机（世界上能量最大的粒子加速器，简称LHC）在的质子粉碎实验中发现了希格斯粒子。
　　但标准模型没有包括最弱的作用力——引力，而且还有其它问题它无法解释，例如为什么普通物质比反物质多。因此，物理学家提出了许多扩展理论，试图解决这些问题。最广为人知的解决办法就是超对称理论。该理论预言标准模型中的每一种粒子都有与之对应的大质量粒子。最轻的超对称粒子是中性微子（neutralino）。天文学家对它很感兴趣，因为它的性质符合他们最中意的暗物质模型——弱相互作用大质量粒子（简称WIMP）。WIMP很少与普通物质发生作用，即使发生作用，也只通过弱相互作用力与后者作用。在一些模型中，WIMP还身兼与之相对应的反物质粒子的角色，当它们碰撞时会发生湮灭，太空里的探测器（如NASA的费米伽马射线空间望远镜）能够探测到它们发出的伽马射线。

　　粒子物理的标准模型囊括了各种粒子，但在弱相互作用尺度和引力（普朗克）尺度之间还存在着巨大的空白。这是为什么粒子物理学家试图离开标准模型去寻找暗物质候选者的原因之一。（图片来源：ROEN KELLY）
　　物理学家期待能在LHC的高能对撞中看到超对称粒子的身影。但令许多人大感失望的是，至今还没有什么新发现。斯坦福大学的天体物理学家Troy Porter说：“对超对称暗物质理论来说，我认为形势越来越紧迫。LHC没有找到证据，在有可能出现相对比较‘干净’的天体物理信号的地方（例如银河系周围的矮星系，'费米'一直在监测它们）至今也没有探测到伽马射线。”同样地，像美国南达科他州Lead市地下一英里深的大型地下氙实验那样的探测器也没有什么发现。
　　美国伊利诺斯州巴达维亚费米实验室的天体物理学家Dan Hopper说：“对目前的情况，有两种完全不同的解读。一方面，地下探测器或者LHC都没有看到过类似WIMP的粒子，这限制了与实验数据相符的理论模型的种类。”这促使暗物质学界开始转向“隐藏区”（Hidden sector）模型和其它更难探测的理论模型。“隐藏区”模型认为暗物质粒子不像普通物质那样，通过标准模型里的作用力发生相互作用。“如果这些实验继续毫无发现，就会有越来越多的人抛弃常用的WIMP模型，”他说。
　　另一方面，“费米”看到银河系中心（银心）残留着能量高于20亿电子伏特的伽马射线。银心既近，又有不少暗物质。“这是我们目前找到的、最有可能是暗物质粒子发出的信号了，”Hooper说。“如果以后的观测支持这个解释，那么暗物质学界将会重新重视WIMP，特别是那些能够产生类似银心发出的那种信号的WIMP模型。”
　　伽马射线探测
　　虽然科学家认为银心处有大量的暗物质，应该产生很强的信号，但它却要与许多其它伽马射线源（例如脉冲星、与星际气体发生作用的宇宙射线等）竞争。这就是为什么“费米”在银心处看到的伽马射线“超出”还不能完全确定的原因。
　　最近，天文学家使用“费米”的观测数据来研究假想粒子（如轴子或者具有类似性质的其它粒子）作为暗物质候选者的可能性。这些粒子无需满足超对称性，在众多候选者中位居前列。此类粒子的迷人之处在于：当它们与强磁场发生作用时，能够转变成伽马射线，然后再转变回来。这些转变会在明亮的伽马射线源的光谱中留下独特的痕迹（如缺口或台阶）。
　　2015年，瑞典斯德哥尔摩大学的Manuel Meyer主持了一个研究项目：从NGC 1275（英仙射电源A，是2亿4千万光年远的英仙星系团的中心星系）的伽马射线辐射中搜寻这些特征。贯穿星系团的磁场能把星系发出的伽马射线转变成类似轴子的粒子。Meyer的研究团队在“费米”的观测数据中寻找理论预测的畸变，最终排除了一小部分类似轴子的粒子（占暗物质的4%）。
　　美国圣克鲁兹市加利福尼亚大学的Regina Caputo在距离我们20万光年远的小麦哲伦云（银河系周围的小卫星星系中排名第二，简称SMC）里搜寻这些信号。之所以到SMC那里去搜寻暗物质，部分原因是它离我们比较近，科学家对SMC里常见的那些伽马射线辐射源（如恒星形成和脉冲星）比较了解。最重要的是，天文学家对SMC的旋转曲线进行了高精度的测量。旋转曲线描述了星系的旋转速度如何随着半径变化，可以用来计算星系里有多少暗物质。Caputo与同事的研究显示，SMC拥有的暗物质总量足以产生可以被探测到的两种WIMP信号。虽然“费米”确实在银心处看到了伽马射线辐射，但Caputo的团队能够用常见的那些辐射源来解释所有这些辐射。

　　小麦哲伦云是银河系的一个不规则的卫星星系，距离我们20万光年远。上图的左半边展示了它肉眼看上去的样子，右半边则展示了它的暗物质晕，包括了约95%的暗物质。费米空间望远镜还没有发现这个星系的暗物质发出的伽马射线辐射。（图片来源：R. CAPUTO ET AL., AXEL MELLINGER,美国中密歇根大学）
　　在另一项研究中，以Marco Ajello为首的美国南卡罗莱纳州克莱蒙森大学的科学家和加利福尼亚州SLAC国家加速实验室的Mattia Di Mauro则另辟蹊径。他们不研究特定的目标，而是使用积累了6年半多时间的观测数据对遍布全天的伽马射线辐射背景展开分析。
　　这个辐射被称为河外伽马射线背景辐射（简称EGB）。自20世纪70年代初NASA的小型天文卫星2号第一次探测到它，对它的讨论一直持续至今。“费米”的观测表明这个辐射大部分来自于无法分辨的伽马射线源，特别是耀变星系（Blazars）。物质落入耀变星系中心的巨大黑洞，为星系提供了能量。在“费米”看到的全部伽马射线源里，耀变星系就占了一半以上。EGB还可能是遥远的暗物质粒子相互作用（例如WIMP的湮灭或者衰变）产生的。但Ajello与同事发现，用耀变星系和其它的单个辐射源已经可以解释几乎所有辐射的来源了。
　　“在限定暗物质模型的参数（即缩小理论模型范围）方面，‘费米’已经做得很棒了，”Ajello说。那是因为它的大视场望远镜（Large Area Telescope）每隔两小时进行一次全天巡测，每一圈转下来都在不断增加它的曝光深度。WIMP能够通过各种机制产生伽马射线，例如转变成成对的夸克、胶子、μ子、还有其它粒子，这些粒子对随后发生衰变，发出伽马射线和稳定的粒子。这给科学家提供了许多方法去使用“费米”搜寻暗物质。“直接探测和用对撞机搜寻测试了暗物质性质的不同方面，与像‘费米’这样的间接探测形成互补，”他说。“这三种方法探测了暗物质研究的不同内容，能让我们越来越接近真实的暗物质模型。”
　　暗物质候选者可能会过时，但我们对宇宙的认识似乎需要它的存在。
　　“我想说，在未来几年，WIMP可能早晚都会被抛弃，但暗物质也很有可能是由全部粒子构成的，”Caputo说。“想想普通物质的标准模型包罗万象，可普通物质才只占了宇宙物质总量的5%而已。”