天文太空

暗原子:宇宙黑勢力

暗物質佔據宇宙整體質量約1/4,雖然我們仍看不見它,但是它可能具有許多不同的怪異類型。

撰文/杜布瑞斯庫(Bogdan A. Dobrescu)、林肯(Don Lincoln)
翻譯/李沃龍

天文太空

暗原子:宇宙黑勢力

暗物質佔據宇宙整體質量約1/4,雖然我們仍看不見它,但是它可能具有許多不同的怪異類型。

撰文/杜布瑞斯庫(Bogdan A. Dobrescu)、林肯(Don Lincoln)
翻譯/李沃龍

重點提要
■科學家現在知道,宇宙必定含有大量且不可見的物質,遠比可見物質還多。關於暗物質的搜尋,他們專注於偵測單一種不可見的粒子,但實驗進行數十年,還是沒有發現任何蹤跡。
■暗物質可能不只是單一種不可見的粒子,還可能具有奇特型態。科學家分別提出各種不同型式的暗物質模型,有些甚至以幾乎不會影響可見物質的力來交互作用。
■複雜型的暗物質可能會形成暗原子與暗分子,甚至凝聚成團,形成隱形星系盤,並與銀河系及其他星系的旋臂重疊;許多實驗已經開始挖掘這類複雜型暗物質的線索。

我們的鄰居,如美麗風車般旋轉的仙女座星系,訴說著宇宙的一個奧秘:即使把已知的物理定律運用到該星系的可見物質,也無法解釋它迅疾的轉動速度。按理說,該星系裡可見物質的重力,應該使它周圍的恆星以較慢的速度運行。如果仙女座星系真的只包含那些可見物質,則這樣快速轉動的星系根本就不應該存在。

宇宙學家相信有某種看不見的物質(暗物質)瀰漫於仙女座星系和其他星系之中,以重力與可見物質交互作用,星系才得以保持高速旋轉。暗物質可能佔據宇宙整體質量約25%,能夠用來解釋宇宙的其他現象,包括星系團中星系的超高速運動、兩星系團碰撞而造成的物質分佈,以及遙遠星系的光因重力造成偏折,即所謂的重力透鏡效應。

最簡單的暗物質理論假設,那些看不見的物質都是由單一種、尚未發現的粒子構成。但經歷數十年的搜尋,科學家依然找不到暗物質粒子的直接證據,無法證實其存在。此外,天文觀測的結果與最簡單的暗物質理論之間,仍有些不一致的現象。由於這些不一致的現象和一直無法偵測到那些看不見的物質,有些科學家便質疑最簡單的暗物質理論,並開始設想其他複雜型式的暗物質。除了單一種粒子外,暗物質或許是由各式各樣的暗粒子構成。畢竟,可見物質可由許多不同種類的粒子構成,或許暗物質也具有類似的複雜性。

過去幾年,科學家逐漸猜想多種不同型態暗物質存在的可能性,更有趣的是,或許有些過往未設想的作用力,可以與暗物質作用,並且對於可見物質的影響非常微弱(甚至完全不影響)。科學家近來對於星系碰撞的觀測,或許可以提供初步證據來支持此假說,而這些作用力也可能協助我們化解最簡單的暗物質理論與觀測之間的某些矛盾。假如暗物質果真存在多種型態,那麼宇宙將比我們想像的更加錯綜複雜而有趣許多。

隱形物質

雖然我們還不知道究竟是什麼構成暗物質,但可以從觀測上得知它如何影響可見物質,也能從數值模擬中理解其重力效應。例如,我們知道它的運動速度必定遠低於光速,否則早期宇宙的密度漲落將無法形成我們今日所見的星系結構。我們也知道,由於暗物質並不吸收或發射電磁輻射,因此不帶有電荷。構成暗物質的粒子可能質量很大,不然其運動速度就應該接近光速,而我們已經由早期宇宙的觀測數據否決此事。再者,這些粒子不會受到束縛原子核的強核力作用,否則我們應該看到暗物質和宇宙射線這類高能帶電粒子發生交互作用。直到最近,科學家相信暗物質或許會透過弱核力(導致放射性衰變)作用,但新近觀測漸漸瓦解了這個想法。如果暗物質確實與弱核力作用,代表必定還有其他尚未發現的可見物質粒子。

就整個宇宙的時間尺度而言,暗物質必須是穩定的。理由很簡單:因為欠缺可持續產生暗物質的可靠機制,所以暗物質必定是源自大霹靂的太初粒子。當我們說這是一種穩定粒子時,常掩蓋了深刻的真理;粒子的穩定性意味粒子具有「守恆」(即不會改變)性質,因此禁止粒子衰變。就物理學而言,除非有什麼原因禁止粒子衰變,否則粒子必然會衰變成較輕的粒子。以電子為例,電子帶有電荷,而已知比它還輕的穩定粒子,只有不帶電的光子與微中子。從能量來看,電子能夠衰變成這些粒子,但電荷守恆禁止這樣的衰變,因此電荷確保了電子的穩定性,電子仍然還是電子。

多數的暗物質理論均假設,暗物質粒子具有稱為「宇稱」的守恆量;暗物質粒子的宇稱是-1,而所有其他已知粒子的宇稱則是+1。暗物質粒子絕不可能衰變成普通粒子,如果暗物質粒子消失、普通粒子增加,那麼就會導致宇稱不守恆。所以理論假設禁止暗物質粒子衰變。

最簡單的暗物質理論符合物理學家列出的一切條件, 該理論假設暗物質是由弱作用大質量粒子(WIMP)構成。(這裡的「弱」指的是一般字義,而非弱核力。)雖然許多理論支持WIMP的存在,但偵測WIMP的困難度顯然超出許多物理學家的想像。自1990年代以來,科學家便進行了各種實驗,希望藉由WIMP與可見物質之間非常稀有的交互作用來直接偵測。

為達到必要的精準度,這些偵測器全都冷卻到極低的溫度,並深埋在地下,以避免受到無所不在的宇宙射線干擾,產生類似暗物質的訊號。可惜的是,實驗儀器的性能不斷提升,科學家卻始終未曾發現暗物質確切的徵兆。雖然WIMP模型可以解釋我們觀測宇宙的許多面向,但並無法說明一切現象。例如,WIMP模型預測,繞行著銀河系的衛星星系數目遠比我們觀測的還多,而星系中心的暗物質密度也應該比從觀測星系旋轉運動估計出的更稠密。不過情況正迅速改變,由於暗能量調查(Dark Energy Survey)研究團隊最近發現了許多衛星星系,因此關於銀河系衛星星系數量的問題,可能只是我們尚未全部發現而已。

雖然如此,WIMP模型的這些缺點終究還是為非傳統的暗物質模型敞開了大門。

暗物質並不單純

另一種可能性是暗物質有許多類型,而不是由單一種粒子構成,同時也有不同的力與暗物質作用。暗物質粒子彼此能交互作用這個概念,似乎能讓所有的觀測與數值模擬取得一致的結果。基本上,有些力可能會與暗物質粒子作用,卻無法與可見物質作用。例如,暗物質粒子可能攜帶新型式的「暗電荷」,在電中性的狀態下還能夠相互吸引或排斥。正如普通的帶電粒子能夠發射光子(傳遞電磁力的粒子),帶有暗電荷的粒子或許也能發射「暗光子」,這並非光子,而是可以與暗電荷作用的粒子,就像光子可以與電荷作用。

不過,與可見物質世界類比的架構當然有個限度。假設暗世界的規律正是可見物質世界的鏡像版本,暗原子形成並發射暗光子,其速率和可見物質發射光子相同。但我們從觀測星系的形狀發現,並沒有這種現象。光子發射與星系形狀可能看似不相干,但兩者有所關聯。透過發射光子,星系中的氣體雲輻射出電磁能量,導致雲內的物質塌縮,最終輕易形成盤狀結構。

假如支配暗物質行為的作用力與規律都和可見物質相同,則暗光子的發射必定造成所有的暗物質星系都形成盤狀結構。但我們知道大部份的暗物質必須分佈成球狀「暈」,才能夠解釋我們熟悉的星系,因此我們可以排除暗物質世界是可見物質世界的完全鏡像版本。

雖然如此,仍有其他可能性存在。例如,可能有少部份的暗物質遵循可見物質世界的鏡像規律,而大部份的行為則符合WIMP模型。或者,暗電荷的效應可能遠比電子及質子電荷的效應小許多,以致於降低了暗光子的發射率。包括杜布瑞斯庫(本文作者之一)在內的理論學家,正利用現有數據來引導他們的想法、精煉各種猜想,建立關於暗物質世界的可能粒子及作用力的許多概念。其中一個最簡單的學說(只包含兩種暗物質粒子)提供了大致的圖像,讓我們一窺某些可能與複雜型暗物質作用的物理學。

發射暗光子

想像一個只有正負兩種暗電荷存在的暗物質模型。在此模型中有一種暗電磁作用,暗物質粒子可以發射或吸收暗光子。這些粒子就像可見物質粒子與它的反物質粒子(例如正子),如同電子遇到正子時會湮滅,把兩者總質量轉換成等量的光子,因此帶正負電的暗物質粒子理應在相遇時湮滅而產生暗光子。

藉由考量暗電磁力對於星系的影響,我們可以推算出此作用力的強度,進而得知發生暗物質湮滅事件的頻率。回想一下,星系具有扁平結構的原因,是電磁作用使得可見物質釋出能量而形成盤狀結構。就算沒發生湮滅事件,這些能量也會喪失。因為我們知道暗 物質主要以球狀分佈環繞大多數星系,並不會塌縮成盤狀結構,據此推論暗物質發射暗光子而喪失能量,其速率與可見物質不同。2009年,當時在美國加州理工學院的阿克曼(Lotty Ackerman)、巴克利(MatthewR. Buckley)、卡洛爾(Sean M. Carroll)與卡密歐斯基(Marc Kamionkowski)發表了一篇論文,他們指出球狀分佈代表暗電荷必定非常稀少,大約只有可見物質電荷值的1%。即使數值如此小,這作用力依然可能存在,並對星系產生明顯的效應。

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