天文太空

暗物質的真面目?

一種瀰漫全宇宙卻難以捉摸的物質,會造成各種重力效應,不過我們至今尚未觀測到它的本質。

撰文/藍道爾(Lisa Randall)
翻譯/陳勁豪
2018-07

天文太空

暗物質的真面目?

一種瀰漫全宇宙卻難以捉摸的物質,會造成各種重力效應,不過我們至今尚未觀測到它的本質。

撰文/藍道爾(Lisa Randall)
翻譯/陳勁豪
2018-07


物理學家與天文學家已經確定宇宙中大部份的物質是「暗物質」,我們可以從它的重力效應來推論它的存在,而非透過電磁作用(我們藉此感知一般物質),但是暗物質可能因為人類的視角而成為謎團。每個人都有五感,五感仰賴電磁作用。舉例來說,視覺是基於我們對某些光的靈敏度,即特定頻率範圍的電磁波;我們可以看到物質,是因為構成這些物質的原子放出或吸收光,而原子內電子和質子所帶的電荷是我們能看到物質的成因。


然而,物質不一定由原子構成。大部份物質可以由完全不同的東西構成,任何能產生重力作用的東西都是物質,例如一般物質能聚集成星系或星系團。


我們沒有理由認為,物質必定由帶電粒子組成,但沒有電磁作用的物質,我們就無法看見。暗物質不帶電荷(或帶微小量),沒人親眼看過暗物質、甚至用靈敏的光學儀器偵測到。但因為暗物質的各種重力效應,我們相信它存在,包含對銀河系恆星的影響和星系團中星系的運動(僅憑一般物質無法解釋星系的旋轉速度之快)、在宇宙微波背景輻射中所留下的印記、對超新星爆發所噴出一般物質的軌跡的影響、對光造成的偏折(稱為重力透鏡),以及在合併的星系團中觀測到可見物質與不可見物質分離。


或許,暗物質最重要的跡象就是我們的存在。儘管我們看不到暗物質,它對宇宙演變與恆星、行星甚至生命的出現,至關重要。這是因為暗物質的總質量是一般物質的五倍,其次是它不會與光直接發生作用。這兩種特性對於結構形成相當重要,例如星系的形成(在我們所知的典型星系壽命、相對較短的時間範圍),尤其是像銀河系大小的星系。沒有暗物質,輻射會阻止星系結構長期聚集,基本上就是不讓這些結構成形,保持宇宙平滑且均勻。我們太陽系與生命所在的銀河系,能在大霹靂後的那段時期成形,就是因為暗物質的存在。


有些人第一次聽到暗物質,會感到奇怪:不可見物質為何存在?至少在哥白尼革命之後,人類應該承認地球並非宇宙的中心。然而,每當人們在新的情況下得知此事,許多人還是感到困惑或驚訝。可見物質沒有理由是物質唯一的型式。暗物質的存在可能是意料之事,而且與我們所知的一切事物相容。


或許,困惑之一來自暗物質的名稱。暗物質應該稱為透明物質,就像光可穿透透明物體。然而,暗物質的本質一點也不透明,物理學家與天文學家想在更基礎的層面了解它究竟是什麼?它是由一種新的基本粒子構成?或是由一些不可見而緻密的物質(例如黑洞)構成?如果暗物質由粒子構成,會跟物質產生重力之外的任何交互作用?這些粒子會與同樣的粒子產生任何不可見的交互作用?這些粒子是否有不同種類?各種粒子之間是否會產生交互作用?


我與同事已經想到一些有趣的可能性。然而,最終我們僅能憑藉進一步觀測來引導我們發現暗物質的真面目,這些觀測可能與許多針對暗物質重力效應的精密觀測相符。或者,如果我們相當幸運,而且暗物質與(我們尚未發現的)一般物質會產生相當微弱的非重力交互作用,大型地底探測器、人造衛星或瑞士日內瓦附近的歐洲核子研究組織的大強子對撞機就可能會偵測到暗物質粒子。即使暗物質不會與一般物質產生交互作用,我們也有機會觀測到暗物質自交互作用的一些現象。舉例來說,如果暗物質和自交互作用影響星系中心的物質排列,星系的內部結構在小尺度下將有所不同。類似於銀河的緻密或其他結構,例如明亮氣體雲與我們仰望夜空所見的恆星,可能顯露一種或多種暗物質粒子之間產生交互作用。又或者,我們可能在實驗室或太空中觀測到稱為軸子的假設性粒子與磁場發生的作用。


對於理論物理學家、觀測人員或實驗物理學家,暗物質是潛力無窮的主題。我們知道它的存在,不清楚它的本質、背後的成因,但現在可能逐漸明朗:暗物質交互作用的觀測數據尚不足以證實有交互作用,至少目前是如此。如果一般物質無法與暗物質產生任何交互作用,我們就難以找到暗物質。但如果暗物質有其他有趣的性質,研究人員就會找到它們,而且在過程中更全面了解這奇妙的謎團。