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圖片藍(lán)色部分為推測的暗物質(zhì)分布（圖片來源：ESA/Hubble）

暗物質(zhì)看不見、摸不著、目前只存在于理論中，然而科學(xué)家卻已經(jīng)為候選的暗物質(zhì)粒子按冷、溫、熱分好了類。他們的分類標(biāo)準(zhǔn)是什么？不同類別的暗物質(zhì)，在構(gòu)建宇宙的過程中起了什么作用？我們又該如何尋找它們的蹤跡？

半個(gè)世紀(jì)前，天文學(xué)家薇拉·魯賓（Vera Rubin）和肯特·福特（Kent Ford）為了解釋星系的旋轉(zhuǎn)，認(rèn)為大量證據(jù)顯示宇宙中存在一種看不見的物質(zhì)，這種物質(zhì)現(xiàn)在被稱為“暗物質(zhì)”。暗物質(zhì)只通過引力與普通物質(zhì)發(fā)生相互作用，但數(shù)量極多，占宇宙中所有物質(zhì)的85%。

暗物質(zhì)為塑造可見物質(zhì)發(fā)揮了關(guān)鍵作用。從我們的銀河系到遙遠(yuǎn)星系間的氣體纖維，它們的形成過程都有暗物質(zhì)的參與。美國天體物理學(xué)家凱沃克·阿巴扎吉安（Kevork Abazajian）說：“我們相信暗物質(zhì)存在，因?yàn)樵诙喾N尺度下都有支持它存在的證據(jù)。”

關(guān)于暗物質(zhì)的形態(tài)存在很多觀點(diǎn)，從行星大小的物體（被稱為MACHO）到單個(gè)粒子（如大質(zhì)量弱相互作用粒子WIMP，大約質(zhì)子大?。?/span>甚至更小的軸子（axion）和惰性中微子，不一而足。

20世紀(jì)80年代起，科學(xué)家將候選的暗物質(zhì)粒子按冷、溫、熱分類。分類標(biāo)準(zhǔn)基于粒子在早期宇宙中的速度，而這又取決于粒子質(zhì)量及其誕生時(shí)的環(huán)境溫度。輕而快的粒子被稱為“熱暗物質(zhì)”，重而慢的粒子被稱為“冷暗物質(zhì)”，“溫暗物質(zhì)”則介于二者之間。在這一標(biāo)準(zhǔn)下，WIMP是冷暗物質(zhì)，惰性中微子是溫暗物質(zhì)，早期宇宙殘留的中微子是熱暗物質(zhì)。（軸子是一個(gè)特例，它既輕又極冷。我們稍后細(xì)說。)

為什么科學(xué)家如此重視粒子的速度呢？阿巴扎吉安說：“輕而快的暗物質(zhì)粒子可以在相同時(shí)間內(nèi)走得更遠(yuǎn)，抹平沿途存在的任何結(jié)構(gòu)?！毕喾矗涞陌滴镔|(zhì)則有助于構(gòu)建結(jié)構(gòu)。根據(jù)我們現(xiàn)有的知識，慢而冷的暗物質(zhì)一定是宇宙組成成分之一。

建造星系

科學(xué)家對每種候選暗物質(zhì)粒子的形成時(shí)間和形成方式尚未有定論。他們唯一確定的是，暗物質(zhì)在宇宙大爆炸后大約75 000年就已經(jīng)存在了?！皬哪菚r(shí)起，‘物質(zhì)’超越‘輻射’成為宇宙的主宰，像‘種子’一樣的微小的物質(zhì)結(jié)構(gòu)開始形成，”美國斯坦福大學(xué)（Stanford University）理論物理學(xué)家彼得·格雷厄姆（Peter Graham）說。

新生宇宙是一鍋熾熱而致密的“宇宙湯”，其中粒子碰撞，產(chǎn)生了大多數(shù)類型的暗物質(zhì)粒子。這與大型強(qiáng)子對撞機(jī)（Large Hadron Collider，LHC）中，高能粒子碰撞產(chǎn)生新粒子的過程大致相同。事實(shí)上，暗物質(zhì)可能存在多種類型。隨著宇宙的膨脹和冷卻，暗物質(zhì)粒子最終變?yōu)槔浒滴镔|(zhì)、溫暗物質(zhì)、熱暗物質(zhì)。

當(dāng)暗物質(zhì)在宇宙中自由“流動(dòng)”時(shí)，每種類型的暗物質(zhì)都會對沿途的物質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生獨(dú)特影響?！翱茖W(xué)家形容暗物質(zhì)在宇宙中自由‘流動(dòng)’，這個(gè)術(shù)語有點(diǎn)誤導(dǎo)人?！卑驮舱f，“因?yàn)轫樦铀鲃?dòng)的樹葉都朝著同一個(gè)方向前進(jìn)，但流動(dòng)的暗物質(zhì)卻無處不在，向四面八方散播?！?它們有的增加物質(zhì)的聚集度、從而促進(jìn)星系的形成，有的阻礙星系的形成。

冷暗物質(zhì)可以促進(jìn)物質(zhì)聚集，比如WIMP。因?yàn)樗鼈兊囊苿?dòng)速度足夠慢，能夠匯聚在一起形成引力井，從而捕獲附近的物質(zhì)，使物質(zhì)聚集。

而熱暗物質(zhì)則會“拆散”聚集的物質(zhì)，因?yàn)樗鼈兊囊苿?dòng)速度如此之快，以至于可以忽略引力井的吸引。意大利博洛尼亞大學(xué)（University of Bologna）理論物理學(xué)家西爾維婭·帕斯科利（Silvia Pascoli）說：“如果宇宙中只有熱暗物質(zhì)，那么微小的物質(zhì)結(jié)構(gòu)‘種子’就不可能成長為更大的結(jié)構(gòu)?！币虼?/span>科學(xué)家認(rèn)為，熱暗物質(zhì)粒子只占暗物質(zhì)的一小部分，如宇宙早期遺留的中微子。但作為目前唯一確定的暗物質(zhì)，這類中微子也對宇宙的進(jìn)化產(chǎn)生了重要的影響。

你可以把溫暗物質(zhì)視為最好的暗物質(zhì)，它們可以讓宇宙充滿恰到好處的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。惰性中微子是溫暗物質(zhì)的首選粒子，在理論上它可以占暗物質(zhì)的絕大多數(shù)。

阿巴扎吉安研究了早期宇宙中特定類型的中微子振蕩如何產(chǎn)生惰性中微子暗物質(zhì)，他說：“然而大部分參數(shù)空間（可能存在的條件集）已經(jīng)被排除了。盡管同樣的振蕩今天可能還在發(fā)生，但一般的中微子在真空中通過標(biāo)準(zhǔn)振蕩轉(zhuǎn)化為惰性中微子的概率極低，估計(jì)在10萬分之一到100萬億分之一之間?！?/span>

“你必須使用非常好的計(jì)數(shù)機(jī)制，才能在100萬億次撞擊中不遺漏一次惰性中微子的撞擊。”阿巴扎吉安說。也就是說，也有一些實(shí)驗(yàn)正在嘗試不依賴撞擊產(chǎn)生惰性中微子方法。

軸子與其他候選暗物質(zhì)粒子不同，它們非常輕、非常冷。軸子的質(zhì)量輕到可以用波來描述它，軸子場可以傳播幾公里。軸子與其他物質(zhì)的耦合很弱，以至于在早期宇宙粒子瘋狂碰撞的熱“湯”中，幾乎也不會產(chǎn)生任何軸子。

“軸子的產(chǎn)生方式與其他的候選暗物質(zhì)粒子天差地別。盡管當(dāng)時(shí)的宇宙非常熱，但軸子在誕生時(shí)就非常冷，并將永遠(yuǎn)保持冷的狀態(tài)。”?格雷厄姆說，“軸子的溫度接近絕對零度，而在這個(gè)溫度下幾乎所有的運(yùn)動(dòng)都停止了。所以本質(zhì)上軸子是不運(yùn)動(dòng)的。它們像是幽靈般的液體，而其他的一切都在其中流動(dòng)。”

尋找各種各樣的暗物質(zhì)

部分科學(xué)家認(rèn)為，想要解釋我們在宇宙中看到的所有事物，需要不止一種類型的暗物質(zhì)。盡管在過去的幾年里，旨在檢測WIMP和產(chǎn)生暗物質(zhì)粒子的LHC碰撞試驗(yàn)全都無果而終，但搜尋暗物質(zhì)的研究仍未停歇。科技的進(jìn)步帶來了許多巧妙的實(shí)驗(yàn)方法，或許能讓我們發(fā)現(xiàn)更輕、更奇異的暗物質(zhì)粒子。

部分尋找暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)，利用了暗物質(zhì)在創(chuàng)造物質(zhì)結(jié)構(gòu)的過程中起到的作用。

加州大學(xué)歐文分校的科學(xué)家西蒙娜·穆爾吉亞（Simona Murgia ）在美國能源部SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室（SLAC National Accelerator Laboratory)進(jìn)行博士后研究時(shí)，她帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)曾用費(fèi)米伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡（Fermi Gamma-ray Space Telescope）尋找WMIP與其反粒子之間的碰撞現(xiàn)象。

現(xiàn)在她所在的國際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)，將在智利的維拉·魯賓天文臺（Vera C. Rubin Observatory）使用世界上最大的數(shù)碼相機(jī)，對南部天空進(jìn)行大規(guī)模的研究。這項(xiàng)研究的目標(biāo)之一，是觀察可見星系發(fā)出的光線如何被暗物質(zhì)彎曲，以更好地掌握暗物質(zhì)的分布。

該相機(jī)將在10年間拍攝大約200億個(gè)星系的圖像，科學(xué)家希望由此推斷出塑造它們的暗物質(zhì)的基本性質(zhì)。“星系的分布越聚集，就越符合冷暗物質(zhì)的理論?！?穆爾吉亞說，“我們不僅想知道暗物質(zhì)是否真的存在，更想明白暗物質(zhì)究竟是什么。”

原文鏈接：

https://www.symmetrymagazine.org/article/is-dark-matter-cold-warm-or-hot

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