暗物質究竟是什麽？人類暗物質搜尋計劃再次空手而歸

一直以來，物理學家們都希望了解暗物質的本質，這種神秘物質幾乎佔據了宇宙的1/4，但我們對於它們的本質卻依舊幾乎一無所知。那究竟是什麽？有一種觀點認為，暗物質實際上是由大量微小而“模糊”的小粒子組成的，其行為就像一個巨大的單一“粒子”。這是什麽意思？後面再做解釋。

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但不管如何，科學家們遇到了挫折：他們搜尋這種“模糊”超輕粒子的努力沒能成功。根據今年2月28日發表在《宇宙學與天體粒子物理學》雜誌上的最新研究論文，最新開展的搜尋工作最終是空手而歸。

這樣的結果顯示，如果暗物質果真是由這類微小粒子組成的，那麽它們的蹤跡一定要比我們想象的更加詭秘難測，幾乎不與常規物質之間發生任何相互作用。

黑暗核心

暗物質是宇宙中最大的未解之謎之一。這種神秘物質不會與光發生相互作用，但卻可以對周圍物質施加引力影響。在整個宇宙的物質與能量組成中，暗物質大約佔據了1/4，科學家們目前還沒有找到組成暗物質的粒子，甚至還完全沒有弄清它究竟是由什麽組成的。

很多科學家懷疑，暗物質是由一種被稱作“弱互動作用大質量粒子”（WIMPs）的粒子所組成的。但這一理論存在幾個明顯的缺陷。舉例來說，按照這一理論給出的描述，WIMPs粒子的存在應該會在宇宙大尺度星系結構中產生某種微觀結構，但迄今為止的天文學觀測還尚未對此給出證實。因此，天文學家們開始嘗試往另一個方向進行搜尋，那就是我們前面提到的“超輕質粒子”。

儘管關於暗物質的本質，目前有很多不同的理論，但其中沒有任何一種理論是得到了足夠多的證據支持因而是無可辯駁的。正如本次這項研究論文的合著者之一，俄羅斯科學院核子研究所的專家謝爾蓋·特洛茨基（Sergey Troitsky）所指出的那樣，在這種情況下，科學家們不得不對所有理論逐個進行考察並進行排除。

一些關於超輕質粒子的學說認為這類“模糊”的輕質粒子的質量大約要比電子輕10的28次方倍。而之所以會用“模糊”來形容它們，是因為其極小的質量意味著其性質和行為會和波非常相似，界限極為模糊。而這項最新研究嘗試了一種從活動星系的光線中搜尋此類粒子存在的方法，不過正如文章開頭所言，科學家們這一次沒能成功。

由於暗物質佔據了宇宙的很大一部分，如果其真的是由這種超輕質粒子組成的，那麽這種粒子的數量一定特別多才行。事實上科學家們認為這類粒子的數量可以多到什麽程度：它們將處於一種獨特的狀態之下，就類似一種場，或者玻色-愛因斯坦凝聚態——後者是指粒子在極端低溫下通常會表現出來的一種特殊狀態，在這種狀態下，大量粒子將凝聚到一起，呈現出某種類似液體的行為。此時，原本無數的粒子，其行為卻具備了整體性，就像一個單一的整體，或者被視作一個單一粒子。

因此，或許暗物質的單個粒子的確不會與光發生相互作用，這也是為何科學家們如此苦苦尋覓而難見其蹤影的原因之一，但在宏觀尺度上，這種“場”會在電磁波偏振方面產生影響。隨著場的密度發生周期性震蕩，當光線在宇宙空間中傳播的時候，其偏振效應會出現相應變化。

理論上說，光線只要傳播距離超過325光年左右，這種偏振效應改變就會達到可以被觀測到的地步。而這種場的震蕩效應直接取決於超輕質暗物質粒子的質量。因此，理論上說，只要對這種效應進行觀察，科學家們便可以得到暗物質粒子的質量數值。

為了搜尋這種由於超輕質暗物質粒子場產生的光線偏振效應，天文學家們查閱了由甚長基線干涉陣列（VLBA）的歷史存檔數據。這是一套位於美國新墨西哥州境內的射電望遠鏡陣列，由10台口徑25米的射電望遠鏡組成。天文學家們將注意力集中在從大約30個星系核心發出的光線上，這些星系核心無一例外都在向外噴射巨量的物質，產生的噴流長度可以達到數百光年。來自這些星系核心的光線都顯示顯著的偏振，並且此前就已經被詳細研究過，因此關於這些光線長期時間尺度上的偏振數據是現成的，可以直接獲得。

謝爾蓋·特洛茨基表示：“我們常常利用已經出版的論文，或者可以公開獲得的數據庫中的數據，來對一些基本粒子的性質進行約束。但這一次我們聯絡了我們的射電天文學同行，他們對歷史存檔數據進行了重新挖掘，根據我們的目的重新進行了梳理和分析。”

通過對過去20年間歷史數據的分析，科學家們發現了多種偏振現象，但遺憾的是沒有一種符合他們先前從理論上預測的模式。活動星系核常常會產生不規則的脈動效應。但超輕質暗物質粒子產生的震蕩則是規則性的。

最終，科學家們並未找到與超輕質暗物質粒子存在的相關線索，至少那種可以解釋大尺度上星系結構缺失的輕質粒子，在本次搜尋工作中未能發現。但需要說明的是，這樣的結果並不能說明這種粒子就絕對不存在。

謝爾蓋·特洛茨基表示：“除了引力之外，無法保證構成暗物質的粒子與可見世界之間存在任何形式上的相互作用。要想找到這種具備一定質量，但除此之外沒有任何相互作用的粒子將是非常困難的，儘管這似乎是解釋暗物質存在的最簡單模型。”

儘管這項研究似乎會讓傳統超輕質暗物質粒子模型顯得有些風雨飄搖，但研究人員目前還不打算將其放棄。

以色列特拉維夫大學天文學家雷納·巴卡納（Rennan Barkana）表示：“關於暗物質，我們唯一確定的是它一定不是由現代物理學中已知的某種粒子所組成的。因此，在我們獲得自然界暗物質的確鑿觀測證據之前，我們都必須小心面對任何的猜想或猜測，保持一個開放的頭腦。”