关于暗物质,还有 11 个悬而未决的大问题

早在 1930 年代,一位名叫 Fritz Zwicky 的瑞士天文学家就发现,在某个遥远星团中星系彼此绕转的速度,要比根据它们可见质量所推算出速度大得多。他提出,可能存在一种不可见的物质,对这些星系施加了引力作用。他将这种物质称为暗物质 (dark matter)。

自此之后,研究者们已经确认了,这种神秘物质不仅在宇宙间遍布,其丰度是构成恒星和人体等等普通物质的 6 倍。尽管可以看到暗物质遍布宇宙,但它依然有太多问题让科学家们百思不得其解。本篇就讲一讲,关于暗物质的 11 个最大的未解决问题。

什么是暗物质?

最重要或说最让人困惑的就是,研究者们依然不能确定,暗物质到底是个啥子。按照美国能源部费米实验室的物理学家 Don Lincoln 之前为 Live Science 撰写的文章所说,原本,一些科学家猜测宇宙中丢失的物质是一些暗星和黑洞,然而详细的观测表明,这些天体的影响远远达不到暗物质的效果。按 Lincoln 的说法,目前在暗物质理论中处于领先的说法,是一种名叫大质量弱相互作用粒子 (Weakly Interacting Massive Particle, WIMP) 的假设性粒子,其表现和中子有些相似,但质量却是质子的 10 到 100 倍。然而,这一猜想只是带来了更多的问题——比如……

我们能探测到暗物质吗?

如果暗物质由 WIMP 组成,那么我们身边就应该全是它们,不可见,且几乎难以探测。我们为什么还没发现呢?尽管它们和普通物质没什么相互作用,但终归会有那么一丢丢可能,暗物质粒子会在穿行宇宙时,撞击到诸如质子或电子之类的普通粒子。因此,研究者们在地下深处进行了一次又一次的试验,研究了大量的普通粒子,而之所以在地下深处进行,是因为可以排除掉和暗物质粒子撞击事件相似的干涉辐射。问题出在哪呢?数十年的搜索,却没有一台探测器有可靠发现。今天(2018 年——译注)早些时候,中国的 PandaX 试验给出了最新的 WIMP 未探测到报告。加州大学河滨分校 (UCR) 的物理学家郁海波对 Live Science 说,很可能是暗物质粒子要比 WIMP 小得多,或者缺乏便于研究的属性。

暗物质由多于一种粒子组成?

普通物质由常见的质子电子之类组成,还包括了一大批诸如中微子、渺子和派介子等奇特粒子 (exotic particle)。一些研究者因此提出疑问,构成宇宙总物质 85% 的暗物质,是否也会同样复杂。“没理由去假设,宇宙中所有暗物质都由一种粒子组成,”哈佛大学的物理学家 Andrey Katz 曾经对 Live Science 的姊妹网站 Space.com 如是说。Katz 还说,暗质子可能会和暗电子组合形成暗原子,产生的构型可能和可见世界中的一样有趣而多样化。尽管物理实验室不断提出这类设想,但迄今为止,科学家依然还未找到一种可以证明或证伪的方法。[Strange Quarks and Muons, Oh My!Nature’s Tiniest Particles Dissected]

暗力存在吗?

和暗物质的额外粒子一样,暗物质也可能会受到类似于常规物质的力。一些研究者已经在搜寻“暗光子”了,它们可能会和普通物质粒子间交换的光子一样产生电磁力,不过只能对暗物质粒子产生作用。据 Live Science 早先的报道,意大利的物理学家们正准备将一束电子和它们的反粒子——正电子——在钻石中对撞。如果暗光子确实存在,那么这个电子-正电子对就会湮灭,并产生一种奇异带力粒子,可能开启宇宙的全新领域。

暗物质可能由轴子组成吗?

随着 WIMP 在物理学家间的失宠,其他暗物质粒子正开始受到青睐。最可能取而代之的,是一种名为轴子 (axion) 的假设性粒子,其质量极其轻,甚至仅为质子的 1031 分之一。目前有若干试验正在搜索轴子。据 Live Science 之前的报道,最近的计算机模拟表明了一种可能:这些轴子可能会组成类恒星物体,所产生的可探测辐射则与至今成谜的“快速射电暴”现象十分相似。

暗物质有什么样的属性?

天文学家们是通过暗物质与普通物质的引力相互作用才发现它的,这是暗物质在宇宙中的主要存在方式。但如果尝试去理解暗物质的真正本质,研究者们却对此毫无头绪。根据一些理论,暗物质粒子就是其自身的反粒子,也就是说,两个暗物质粒子相遇时会彼此湮灭。在国际空间站上的阿尔法磁谱仪 (AMS) 试验从 2011 年开始就在搜寻这种湮灭的指示迹象,并探测到了数十万起事件。科学家们还难以确定这些事件是否来自暗物质,而这些信号也不能帮他们确定到底什么是暗物质。

每个星系中都有暗物质存在吗?

因为暗物质远比普通物质要重得多,因此通常被认为是组织星系和星团等超大结构的控制力量。所以,有件事就变得奇怪了:今年(2018 年——译注)早些时候,天文学们宣布发现了一个名为 NGC 1052-DF2 的星系,而其中似乎根本不含有任何暗物质。“显然,暗物质并不是形成星系的必备要求,”耶鲁大学的 Pieter van Dokkum 当时对 Space.com 这么说。然而经过一个夏天之后,另有一个独立团队发出分析称,van Dokkum 团队估测的星系距离有误,这意味着该星系的可见物质其实要比初次发现的更暗、更轻,属于暗物质的质量比例也比之前所显示的结果要高。

DAMA/LIBRA 结果又是怎么回事?

在粒子物理学中,长久以来的一个未解之谜,就是名为 DAMA/LIBRA 欧洲试验那些令人费解的结果。这个探测器位于意大利大萨索山地下的矿洞中,一直在搜索暗物质粒子的周期性振荡。这一振荡应该会伴随这地球围绕太阳运动时发生,因为地球是在环绕太阳系的暗物质星系流中穿行——有时这也被称为“暗物质风”。从 1997 年起,DAMA/LIBRA 已经声称看到的正是这种信号,然而没有其他试验曾经见过任何与此类似的现象。

暗物质可以带电荷吗?

来自于时间之初的一个信号,让有些物理学家认为,暗物质可能带有电荷。在宇宙的婴儿期,大爆炸发生仅仅 180 个百万年之后,恒星就发出了波长为 21 厘米的辐射。随即,辐射被周围的冷氢同步吸收。今年(2018 年——译注)2 月检测到了这种辐射,其特征表明,这些氢要比科学们原本的预测冷得多。哈佛大学的天文学家 Julian Muñoz 在当时给 Live Science 的假设中说,带有电荷的暗物质可以从遍布的氢中吸收热量,有点类似冰块漂浮在柠檬水中的情形。但是,这一猜想也有待证实。

普通粒子可能衰变为暗物质吗?

中子是寿命有限的常规物质粒子。大约 14.5 分钟,一个脱离了原子的单独中子就会衰变为一个质子、一个电子和一个中微子。但是,两个不同的实验装置给出的这一衰变寿命有轻微不同,二者差异大约有 9 秒钟。这一结果来自于《物理评论快报》(Physical Review Letters) 杂志 7 月的研究试验。今年(2018 年——译注)早些时候,物理学家们认为,如果该时长的 1% 某些中子衰变为暗物质粒子,就可以解释这一异常值。洛斯阿拉莫斯国家实验室的 Christopher Morris 和他的团队,试图监控中子成为暗物质的信号,但没有探测到任何结果。他们认为,根据这一研究,依然有其他可能的衰变方式。

暗物质真的存在吗?

考虑到科学家们在尝试探测和解释暗物质过程中所遇到的困难,我们不禁要怀疑,他们是不是从根儿上就错了。多年来,少数物理学家一直在宣扬一种观点:或许我们对于引力的理论就是错的,基本力在大尺度上的表现,跟我们预想的并不相同。这些观点通常被称为“修正版牛顿动力学”或 MOND 模型,并假设:暗物质不存在,而我们观察到的恒星与星系间的彼此超快速环绕,只是引力以某种神奇方式发生作用的结果。“暗物质仍然是一个待验证的模型,”物理学家 Don Lincoln 在写给 Live Science 的解释中如此写道。然而,贬低者们的想法还没有让更多的人信服。至于最新的证据?它表示暗物质真实存在。

原文:https://www.livescience.com/64113-dark-matter-mysteries.html

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