暗物質(zhì)
暗物質(zhì) Dark material
【Jeremiah P. Ostriker和Paul Steinhardt 著 Shea 譯】幾十年前,暗物質(zhì)(dark matter)剛被提出來時(shí)僅僅是理論的產(chǎn)物,但是現(xiàn)在我們知道暗物質(zhì)已經(jīng)成為了宇宙的重要組成部分.暗物質(zhì)的總質(zhì)量是普通物質(zhì)的6倍,在宇宙能量密度中占了1/4,同時(shí)更重要的是,暗物質(zhì)主導(dǎo)了宇宙結(jié)構(gòu)的形成.暗物質(zhì)的本質(zhì)現(xiàn)在還是個(gè)謎,但是如果假設(shè)它是一種弱相互作用亞原子粒子的話,那么由此形成的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)與觀測(cè)相一致.不過,最近對(duì)星系以及亞星系結(jié)構(gòu)的分析顯示,這一假設(shè)和觀測(cè)結(jié)果之間存在著差異,這同時(shí)為多種可能的暗物質(zhì)理論提供了用武之地.通過對(duì)小尺度結(jié)構(gòu)密度、分布、演化以及其環(huán)境的研究可以區(qū)分這些潛在的暗物質(zhì)模型,為暗物質(zhì)本性的研究帶來新的曙光.
大約65年前,第一次發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)存在的證據(jù).當(dāng)時(shí),弗里茲·扎維奇（Fritz Zwicky）發(fā)現(xiàn),大型星系團(tuán)中的星系具有極高的運(yùn)動(dòng)速度,除非星系團(tuán)的質(zhì)量是根據(jù)其中恒星數(shù)量計(jì)算所得到的值的100倍以上,否則星系團(tuán)根本無法束縛住這些星系.之后幾十年的觀測(cè)分析證實(shí)了這一點(diǎn).盡管對(duì)暗物質(zhì)的性質(zhì)仍然一無所知,但是到了80年代,占宇宙能量密度大約20%的暗物質(zhì)以被廣為接受了.
在引入宇宙暴漲理論之后,許多宇宙學(xué)家相信我們的宇宙是平直的,而且宇宙總能量密度必定是等于臨界值的（這一臨界值用于區(qū)分宇宙是封閉的還是開放的）.與此同時(shí),宇宙學(xué)家們也傾向于一個(gè)簡(jiǎn)單的宇宙,其中能量密度都以物質(zhì)的形式出現(xiàn),包括4%的普通物質(zhì)和96%的暗物質(zhì).但事實(shí)上,觀測(cè)從來就沒有與此相符合過.雖然在總物質(zhì)密度的估計(jì)上存在著比較大的誤差,但是這一誤差還沒有大到使物質(zhì)的總量達(dá)到臨界值,而且這一觀測(cè)和理論模型之間的不一致也隨著時(shí)間變得越來越尖銳.
當(dāng)意識(shí)到?jīng)]有足夠的物質(zhì)能來解釋宇宙的結(jié)構(gòu)及其特性時(shí),暗能量出現(xiàn)了.暗能量和暗物質(zhì)的唯一共同點(diǎn)是它們既不發(fā)光也不吸收光.從微觀上講,它們的組成是完全不同的.更重要的是,像普通的物質(zhì)一樣,暗物質(zhì)是引力自吸引的,而且與普通物質(zhì)成團(tuán)并形成星系.而暗能量是引力自相斥的,并且在宇宙中幾乎均勻的分布.所以,在統(tǒng)計(jì)星系的能量時(shí)會(huì)遺漏暗能量.因此,暗能量可以解釋觀測(cè)到的物質(zhì)密度和由暴漲理論預(yù)言的臨界密度之間70-80%的差異.之后,兩個(gè)獨(dú)立的天文學(xué)家小組通過對(duì)超新星的觀測(cè)發(fā)現(xiàn),宇宙正在加速膨脹.由此,暗能量占主導(dǎo)的宇宙模型成為了一個(gè)和諧的宇宙模型.最近威爾金森宇宙微波背景輻射各向異性探測(cè)器（Wilkinson Microwave Anisotrope Probe,WMAP）的觀測(cè)也獨(dú)立的證實(shí)了暗能量的存在,并且使它成為了標(biāo)準(zhǔn)模型的一部分.
暗能量同時(shí)也改變了我們對(duì)暗物質(zhì)在宇宙中所起作用的認(rèn)識(shí).按照愛因斯坦的廣義相對(duì)論,在一個(gè)僅含有物質(zhì)的宇宙中,物質(zhì)密度決定了宇宙的幾何,以及宇宙的過去和未來.加上暗能量的話,情況就完全不同了.首先,總能量密度（物質(zhì)能量密度與暗能量密度之和）決定著宇宙的幾何特性.其次,宇宙已經(jīng)從物質(zhì)占主導(dǎo)的時(shí)期過渡到了暗能量占主導(dǎo)的時(shí)期.大約在"大爆炸"之后的幾十億年中暗物質(zhì)占了總能量密度的主導(dǎo)地位,但是這已成為了過去.現(xiàn)在我們宇宙的未來將由暗能量的特性所決定,它目前正時(shí)宇宙加速膨脹,而且除非暗能量會(huì)隨時(shí)間衰減或者改變狀態(tài),否則這種加速膨脹態(tài)勢(shì)將持續(xù)下去.
不過,我們忽略了極為重要的一點(diǎn),那就是正是暗物質(zhì)促成了宇宙結(jié)構(gòu)的形成,如果沒有暗物質(zhì)就不會(huì)形成星系、恒星和行星,也就更談不上今天的人類了.宇宙盡管在極大的尺度上表現(xiàn)出均勻和各向同性,但是在小一些的尺度上則存在著恒星、星系、星系團(tuán)、巨洞以及星系長(zhǎng)城.而在大尺度上能過促使物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的力就只有引力了.但是均勻分布的物質(zhì)不會(huì)產(chǎn)生引力,因此今天所有的宇宙結(jié)構(gòu)必然源自于宇宙極早期物質(zhì)分布的微小漲落,而這些漲落會(huì)在宇宙微波背景輻射（CMB）中留下痕跡.然而普通物質(zhì)不可能通過其自身的漲落形成實(shí)質(zhì)上的結(jié)構(gòu)而又不在宇宙微波背景輻射中留下痕跡,因?yàn)槟菚r(shí)普通物質(zhì)還沒有從輻射中脫耦出來.
另一方面,不與輻射耦合的暗物質(zhì),其微小的漲落在普通物質(zhì)脫耦之前就放大了許多倍.在普通物質(zhì)脫耦之后,已經(jīng)成團(tuán)的暗物質(zhì)就開始吸引普通物質(zhì),進(jìn)而形成了我們現(xiàn)在觀測(cè)到的結(jié)構(gòu).因此這需要一個(gè)初始的漲落,但是它的振幅非常非常的小.這里需要的物質(zhì)就是冷暗物質(zhì),由于它是無熱運(yùn)動(dòng)的非相對(duì)論性粒子因此得名.
在開始闡述這一模型的有效性之前,必須先交待一下其中最后一件重要的事情.對(duì)于先前提到的小擾動(dòng)（漲落）,為了預(yù)言其在不同波長(zhǎng)上的引力效應(yīng),小擾動(dòng)譜必須具有特殊的形態(tài).為此,最初的密度漲落應(yīng)該是標(biāo)度無關(guān)的.也就是說,如果我們把能量分布分解成一系列不同波長(zhǎng)的正弦波之和,那么所有正弦波的振幅都應(yīng)該是相同的.暴漲理論的成功之處就在于它提供了很好的動(dòng)力學(xué)出發(fā)機(jī)制來形成這樣一個(gè)標(biāo)度無關(guān)的小擾動(dòng)譜（其譜指數(shù)n=1）.WMAP的觀測(cè)結(jié)果證實(shí)了這一預(yù)言,其觀測(cè)到的結(jié)果為n=0.99±0.04.
但是如果我們不了解暗物質(zhì)的性質(zhì),就不能說我們已經(jīng)了解了宇宙.現(xiàn)在已經(jīng)知道了兩種暗物質(zhì)--中微子和黑洞.但是它們對(duì)暗物質(zhì)總量的貢獻(xiàn)是非常微小的,暗物質(zhì)中的絕大部分現(xiàn)在還不清楚.這里我們將討論暗物質(zhì)可能的候選者,由其導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)形成,以及我們?nèi)绾尉C合粒子探測(cè)器和天文觀測(cè)來揭示暗物質(zhì)的性質(zhì).
最被看好的暗物質(zhì)候選者
長(zhǎng)久以來,最被看好的暗物質(zhì)僅僅是假說中的基本粒子,它具有壽命長(zhǎng)、溫度低、無碰撞的特性.壽命長(zhǎng)意味著它的壽命必須與現(xiàn)今宇宙年齡相當(dāng),甚至更長(zhǎng).溫度低意味著在脫耦時(shí)它們是非相對(duì)論性粒子,只有這樣它們才能在引力作用下迅速成團(tuán).由于成團(tuán)過程發(fā)生在比哈勃視界（宇宙年齡與光速的乘積）小的范圍內(nèi),而且這一視界相對(duì)現(xiàn)在的宇宙而言非常的小,因此最先形成的暗物質(zhì)團(tuán)塊或者暗物質(zhì)暈比銀河系的尺度要小得多,質(zhì)量也要小得多.隨著宇宙的膨脹和哈勃視界的增大,這些最先形成的小暗物質(zhì)暈會(huì)合并形成較大尺度的結(jié)構(gòu),而這些較大尺度的結(jié)構(gòu)之后又會(huì)合并形成更大尺度的結(jié)構(gòu).其結(jié)果就是形成不同體積和質(zhì)量的結(jié)構(gòu)體系,定性上這是與觀測(cè)相一致的.相反的,對(duì)于相對(duì)論性粒子,例如中微子,在物質(zhì)引力成團(tuán)的時(shí)期由于其運(yùn)動(dòng)速度過快而無法形成我們觀測(cè)到的結(jié)構(gòu).因此中微子對(duì)暗物質(zhì)質(zhì)量密度的貢獻(xiàn)是可以忽略的.在太陽(yáng)中微子實(shí)驗(yàn)中對(duì)中微子質(zhì)量的測(cè)量結(jié)果也支持了這一點(diǎn).無碰撞指的是暗物質(zhì)粒子（與暗物質(zhì)和普通物質(zhì)）的相互作用截面在暗物質(zhì)暈中小的可以忽略不計(jì).這些粒子僅僅依靠引力來束縛住對(duì)方,并且在暗物質(zhì)暈中以一個(gè)較寬的軌道偏心律譜無阻礙的作軌道運(yùn)動(dòng).
低溫?zé)o碰撞暗物質(zhì)（CCDM）被看好有幾方面的原因.第一,CCDM的結(jié)構(gòu)形成數(shù)值模擬結(jié)果與觀測(cè)相一致.第二,作為一個(gè)特殊的亞類,弱相互作用大質(zhì)量粒子（WIMP）可以很好的解釋其在宇宙中的豐度.如果粒子間相互作用很弱,那么在宇宙最初的萬(wàn)億分之一秒它們是處于熱平衡的.之后,由于湮滅它們開始脫離平衡.根據(jù)其相互作用截面估計(jì),這些物質(zhì)的能量密度大約占了宇宙總能量密度的20-30%.這與觀測(cè)相符.CCDM被看好的第三個(gè)原因是,在一些理論模型中預(yù)言了一些非常有吸引力的候選粒子.
其中一個(gè)候選者就是中性子（neutralino）,一種超對(duì)稱模型中提出的粒子.超對(duì)稱理論是超引力和超弦理論的基礎(chǔ),它要求每一個(gè)已知的費(fèi)米子都要有一個(gè)伴隨的玻色子（尚未觀測(cè)到）,同時(shí)每一個(gè)玻色子也要有一個(gè)伴隨的費(fèi)米子.如果超對(duì)稱依然保持到今天,伴隨粒子將都具有相同的質(zhì)量.但是由于在宇宙的早期超對(duì)稱出現(xiàn)了自發(fā)的破缺,于是今天伴隨粒子的質(zhì)量也出現(xiàn)了變化.而且,大部分超對(duì)稱伴隨粒子是不穩(wěn)定的,在超對(duì)稱出現(xiàn)破缺之后不久就發(fā)生了衰變.但是,有一種最輕的伴隨粒子（質(zhì)量在100GeV的數(shù)量級(jí)）由于其自身的對(duì)稱性避免了衰變的發(fā)生.在最簡(jiǎn)單模型中,這些粒子是呈電中性且弱相互作用的--是WIMP的理想候選者.如果暗物質(zhì)是由中性子組成的,那么當(dāng)?shù)厍虼┻^太陽(yáng)附近的暗物質(zhì)時(shí),地下的探測(cè)器就能探測(cè)到這些粒子.另外有一點(diǎn)必須注意,這一探測(cè)并不能說明暗物質(zhì)主要就是由WIMP構(gòu)成的.現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)還無法確定WIMP究竟是占了暗物質(zhì)的大部分還是僅僅只占一小部分.
另一個(gè)候選者是軸子（axion）,一種非常輕的中性粒子（其質(zhì)量在1μeV的數(shù)量級(jí)上）,它在大統(tǒng)一理論中起了重要的作用.軸子間通過極微小的力相互作用,由此它無法處于熱平衡狀態(tài),因此不能很好的解釋它在宇宙中的豐度.在宇宙中,軸子處于低溫玻色子凝聚狀態(tài),現(xiàn)在已經(jīng)建造了軸子探測(cè)器,探測(cè)工作也正在進(jìn)行.
CCDM存在的問題
由于綜合了CCDM,標(biāo)準(zhǔn)模型在數(shù)學(xué)上是特殊的,盡管其中的一些參數(shù)至今還沒有被精確的測(cè)定,但是我們依然可以在不同的尺度上檢驗(yàn)這一理論.現(xiàn)在,能觀測(cè)到的最大尺度是CMB（上千個(gè)Mpc）.CMB的觀測(cè)顯示了原初的能量和物質(zhì)分布,同時(shí)觀測(cè)也顯示這一分布幾近均勻而沒有結(jié)構(gòu).下一個(gè)尺度是星系的分布,從幾個(gè)Mpc到近1000個(gè)Mpc.在這些尺度上,理論和觀測(cè)符合的很好,這也使得天文學(xué)家有信心將這一模型拓展到所有的尺度上.
然而在小一些的尺度上,從1Mpc到星系的尺度（Kpc）,就出現(xiàn)了不一致.幾年前這種不一致性就顯現(xiàn)出來了,而且它的出現(xiàn)直接導(dǎo)致了"現(xiàn)行的理論是否正確"這一至關(guān)重要的問題的提出.在很大程度上,理論工作者相信,不一致性更可能是由于我們對(duì)暗物質(zhì)特性假設(shè)不當(dāng)所造成的,而不太可能是標(biāo)準(zhǔn)模型本身固有的問題.首先,對(duì)于大尺度結(jié)構(gòu),引力是占主導(dǎo)的,因此所有的計(jì)算都是基于牛頓和愛因斯坦的引力定律進(jìn)行的.在小一些的尺度上,高溫高密物質(zhì)的流體力學(xué)作用就必須被包括進(jìn)去了.其次,在大尺度上的漲落是微小的,而且我們有精確的方法可以對(duì)此進(jìn)行量化和計(jì)算.但是在星系的尺度上,普通物質(zhì)和輻射間的相互作用卻極為復(fù)雜.在小尺度上的以下幾個(gè)主要問題.亞結(jié)構(gòu)可能并沒有CCDM數(shù)值模擬預(yù)言的那樣普遍.暗物質(zhì)暈的數(shù)量基本上和它的質(zhì)量成反比,因此應(yīng)該能觀測(cè)到許多的矮星系以及由小暗物質(zhì)暈造成的引力透鏡效應(yīng),但是目前的觀測(cè)結(jié)果并沒有證實(shí)這一點(diǎn).而且那些環(huán)繞銀河系或者其他星系的暗物質(zhì),當(dāng)它們合并入星系之后會(huì)使原先較薄的星系盤變得比現(xiàn)在觀測(cè)到得更厚.
暗物質(zhì)暈的密度分布應(yīng)該在核區(qū)出現(xiàn)陡增,也就是說隨著到中心距離的減小,其密度應(yīng)該急劇升高,但是這與我們觀測(cè)到的許多自引力系統(tǒng)的中心區(qū)域明顯不符.正如在引力透鏡研究中觀測(cè)到的,星系團(tuán)的核心密度就要低于由大質(zhì)量暗物質(zhì)暈?zāi)Ｐ陀?jì)算出來的結(jié)果.普通旋渦星系其核心區(qū)域的暗物質(zhì)比預(yù)期的就更少了,同樣的情況也出現(xiàn)在一些低表面亮度星系中.矮星系,例如銀河系的伴星系玉夫星系和天龍星系,則具有與理論形成鮮明對(duì)比的均勻密度中心.流體動(dòng)力學(xué)模擬出來的星系盤其尺度和角動(dòng)量都小于觀測(cè)到的結(jié)果.在許多高表面亮度星系中都呈現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)的棒狀結(jié)構(gòu),如果這一結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的,就要求其核心的密度要小于預(yù)期的值.
可以想象,解決這些日益增多的問題將取決于一些復(fù)雜的但卻是普通的天體物理過程.一些常規(guī)的解釋已經(jīng)被提出來用以解釋先前提到的結(jié)構(gòu)缺失現(xiàn)象.但是,總體上看,現(xiàn)在的觀測(cè)證據(jù)顯示,從巨型的星系團(tuán)（質(zhì)量大于1015個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量）到最小的矮星系（質(zhì)量小于109個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量）都存在著理論預(yù)言的高密度和觀測(cè)到的低密度之間的矛盾.
茫茫宇宙中,恒星間相互作用,做著各種各樣的規(guī)則的軌道運(yùn)動(dòng),而有些運(yùn)動(dòng)我們卻找不著其作用對(duì)應(yīng)的物質(zhì).因此,人們?cè)O(shè)想,在宇宙中也許存著我們看不見的物質(zhì).
20世紀(jì)30年代,荷蘭天體物理學(xué)家奧爾特指出：為了說明恒星的運(yùn)動(dòng),需要假定在太陽(yáng)附近存在著暗物質(zhì)；同年代,茨維基從室女星系團(tuán)諸星系的運(yùn)動(dòng)的觀測(cè)中,也認(rèn)為在星系團(tuán)中存在著大量的暗物質(zhì)；美國(guó)天文學(xué)家巴柯的理論分析也表明,在太陽(yáng)附近,存在著與發(fā)光物質(zhì)幾乎同等數(shù)量看不見的物質(zhì).
那么,太陽(yáng)附近和銀道面上的暗物質(zhì)是些什么東西呢?天文學(xué)家認(rèn)為,它們也許是一般光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)不到的極暗弱的褐矮星或質(zhì)量為木行星30～80倍的大行星.在大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡所拍攝的天空照片上已發(fā)現(xiàn)了暗于14星等,不到半個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的M型矮星.由于太陽(yáng)位于銀河系中心平面的附近,從探測(cè)到的M型矮星的數(shù)目可推算出,它們大概能提供銀河系應(yīng)有失蹤質(zhì)量的另一半.且每一顆M型星發(fā)光,最多只能有幾萬(wàn)年.所以人們認(rèn)為銀河系中一定存在著許許多多的這些小恒星“燃燒”后的“尸體”,足以提供理論計(jì)算所需的全部暗物質(zhì).
觀測(cè)結(jié)果和理論分析均表明漩渦星系外圍存在著大質(zhì)量的暗暈.那么,暗暈中含有哪些看不見的物質(zhì)呢?英國(guó)天文學(xué)家里斯認(rèn)為可能有三種候選者：第一種就是上面所述的小質(zhì)量恒星或大行星；第二種是很早以前由超大質(zhì)量恒星坍縮而成的200萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量左右的大質(zhì)量黑洞；第三種是奇異粒子,如質(zhì)量可能為20～49電子伏且與電子有聯(lián)系的中微子,質(zhì)量為105電子伏的軸子或目前科學(xué)家所贊成的各種大統(tǒng)一理論所允許和需求的粒子.
歐洲核子研究中心的粒子物理學(xué)家伊里斯認(rèn)為,星系暈及星系團(tuán)中最佳的暗物質(zhì)候選者是超對(duì)稱理論所要求的S粒子.這種理論認(rèn)為：每個(gè)已知粒子的基本粒子（如光子）必定存在著與其配對(duì)的粒子（如具有一定質(zhì)量的光微子）.伊里斯推薦四種最佳暗物質(zhì)候選者：光微子、希格斯微子、中微子和引力粒子.科學(xué)家還認(rèn)為,這些粒子也是星系團(tuán)之間廣大宇宙空間中的冷的暗物質(zhì)候選者.
到現(xiàn)在,已有不少天文學(xué)家認(rèn)為,宇宙中90％以上的物質(zhì)是以“暗物質(zhì)”的方式隱藏著.但暗物質(zhì)到底是些什么東西至今還是一個(gè)謎,還待于人們?nèi)ミM(jìn)一步探索.

2006年1月6日?qǐng)?bào)道,劍橋大學(xué)天文研究所的科學(xué)家們?cè)跉v史上第一次成功確定了廣泛分布在宇宙間的暗物質(zhì)的部分物理性質(zhì).目前,從事此項(xiàng)研究的科學(xué)家們正準(zhǔn)備在最近幾周內(nèi)將此項(xiàng)研究結(jié)果公開發(fā)表.
天文學(xué)家們稱,根據(jù)當(dāng)前一些統(tǒng)計(jì)資料顯示,我們平常看不見的暗物質(zhì)很可能占有宇宙所有物質(zhì)總量的95%.
在本次這項(xiàng)研究中,科學(xué)家們借助強(qiáng)功率天文望遠(yuǎn)鏡(包括架設(shè)在智利的甚大天文望遠(yuǎn)鏡VLT --Very Large Telescope)對(duì)距離銀河系不遠(yuǎn)的矮星系進(jìn)行了共達(dá)23夜的研究,此后科學(xué)家們還通過約7000余次的計(jì)算得出結(jié)論稱：在他們所觀測(cè)的這些矮星系中,暗物質(zhì)的含量是其它普通物質(zhì)的400多倍.此外,這些矮星系中物質(zhì)粒子的運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)每秒9公里,其溫度可達(dá)10000攝氏度.
同時(shí)科學(xué)家們還觀測(cè)到,暗物質(zhì)與其它普通物質(zhì)還有著巨大的差異,如：盡管觀測(cè)目標(biāo)的溫度是如此之高,但是這樣的高溫卻不會(huì)產(chǎn)生任何輻射.據(jù)領(lǐng)導(dǎo)此項(xiàng)研究的杰里-吉爾摩教授認(rèn)為,暗物質(zhì)微粒很有可能不是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的.然而在此之前科學(xué)家們?cè)回炚J(rèn)為,暗物質(zhì)應(yīng)該是由一些“冷”粒子構(gòu)成的,這些粒子的運(yùn)動(dòng)速度也不會(huì)太高.
暗物質(zhì)研究專家們還表示,宇宙間最小的連續(xù)存在的暗物質(zhì)片段大小也有1000光年,這樣的暗物質(zhì)片段質(zhì)量約是太陽(yáng)的30多倍.科學(xué)家們還在此次研究中確定出了暗物質(zhì)微粒分布的密度,譬如,在地球上每立方厘米的空間如果能夠容納1023個(gè)物質(zhì)粒子,那么對(duì)于暗物質(zhì)來說這么大的空間只能容納約三分之一的微粒.
早在30年代,瑞士科學(xué)家弗里茲-茨維基就設(shè)想宇宙間存在著某種不為人所知的暗物質(zhì).他還指出,星系群中的發(fā)光物質(zhì)如果只依靠自身的引力將各個(gè)星系保持聯(lián)接在一起,那么它們的量就必須要再增加10倍.而用來彌補(bǔ)這個(gè)空缺的就是看不見的重力物質(zhì),即我們今天所說的暗物質(zhì).盡管暗物質(zhì)在宇宙間的儲(chǔ)藏量比其它普通物質(zhì)高出許多,但有關(guān)暗物質(zhì)的性質(zhì)目前科學(xué)家們尚不能給予完整的表述.