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暗物质遇到终结者?

(文/ Andrew Pontzen)再也没有人称卡洛斯·弗伦克(Carlos Frenk)是一个疯子了,或许你会认为,这一点让他很高兴。但在过去,他并非总是如此幸运。

“我在会议上站起身,几乎每个人都会朝我扔烂番茄,”他回忆道。

他招人厌的原因在于,他在积极倡导一个当时充满争议的观点——宇宙中的绝大多数物质是一锅又冷、又重,而且还看不见的“暗物质”汤。如今,这个观点才是正统。按照标准的说法,无论暗物质在什么地方集结,普通物质都会如影随形,在暗物质压倒性的引力作用下,无可抗拒地被吸引过去。这些普通物质形成了恒星,星系也随后诞生——它们发出的微光从此刺穿了专制的黑暗帝国。

然而,这些说法的言之凿凿,正是弗伦克现在所担心的。“我突然意识到,年轻的科学家想当然地接受了暗物质,这实在太令人震惊了。”你能看出他的观点。设计用来探测暗物质的实验迄今仍然一无所获。对穿透地球的暗物质粒子展开的搜寻,也只得出了混乱并且矛盾的结果。描述暗物质如何塑造可见宇宙的模型,则夹在了成功确证和完全否定这两个极端之间。

作为一名年轻的理论宇宙学家,我自己也是暗物质的信徒。在我看来,宇宙中有太多不用暗物质我们就无法解释的东西。但或许,有一条路可以带我们走出目前这种最糟糕的困境。暗物质确实存在,我们需要重新考虑的只是这样一个想法——它拥有掌控我们这个星光灿烂的宇宙所需的全部力量。

大约10年前,我本科的物理老师无意间告诉我,宇宙中有5/6的物质是看不见的。暗物质最初被提出来,是为了解释20世纪30年代的天文观测——当时人们发现,星系团中的星系运动得太快,其中的普通物质无法束缚住它们。到了20世纪70年代,它又被用来解释星系本身为什么会自转太快,就好像受到了一个额外引力的作用。即便如此,我还记得当时我忍不住在心里吐槽,说不定用魔法仙尘也能很好地解释这个宇宙咧!

但是,经验让我成为了一名真正的信徒。星系和其他大质量天体弯曲光线的方式证明,宇宙中还存在更多我们的眼睛看不到的物质。宇宙微波背景辐射(即所谓的大爆炸余辉)中的图案则揭示,早期宇宙中的物质处在引力收缩和膨胀压强之间的微妙平衡之上,物质分布的方式在细节上与暗物质理论惊人地相符。在我自己关于星系如何形成的研究中,为了再现布满整个宇宙的星系网络,我们也需要暗物质——而且正如弗伦克等人要求的那样,我们需要的是几乎不运动的一锅“冷汤”。


每一个光点都是银河系一般大小的星系,它们在大尺度上构成了这样的网络。为了在模拟星系形成的计算机模型中再现布满整个宇宙的这种星系网络,科学家需要冷暗物质的参与。图片来源:nationalgeographic.com

WIMP出局

令人欣慰的是,粒子物理学为这锅“冷汤”提供了现成的配方。在现有的描述基本粒子及其相互作用的“标准模型”之外,超对称理论是受到青睐的一个方案。它为现实建立了一个数学镜像,认为迄今发现的每一个粒子都有一个通常来说要更重一些的伙伴粒子。在这些超对称伙伴粒子中,有一些是弱相互作用大质量粒子(WIMP)。它们具有质量(因此可以施加并感受引力),但不与光发生相互作用(因此无法被看到)。在大爆炸中应该被创造出来的WIMP的数量,与宇宙学观测得出的暗物质密度恰好吻合——这个令人愉快的结合,有时被称为WIMP奇迹。

但是,奇迹真的发生过吗?没有任何实验能够产生出超对称粒子,就连日内瓦附近欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC),迄今也没有看到它们的蛛丝马迹。最简单的超对称理论已经被推翻,更复杂的超对称理论则要等到LHC在更高能量上重启时(可能会在2015年)才能判定它们的命运。“在那之后,如果他们在大约一年之内还是找不到任何超对称粒子的话,我认为这个理论就该寿终正寝了,”英国剑桥大学的粒子理论学家本·阿伦阿赫(Ben Allanach)说,“我会着手研究其他理论,我想许多其他人也会有一样的感觉。”

这并不是唯一的困难。不少繁琐的实验正在搜寻宇宙中的WIMP在空间中穿行时留下的印记,它们得出的结论却令科学家极度困惑。位于意大利中部格朗萨索国家实验室的DAMA实验,已经看到了一个变化周期为一年的信号。如果地球在围绕太阳公转的同时,在一片平静的冷暗物质海洋中相对运动,这正是我们预期应该能看到的结果——但其他实验断然给出了与此矛盾的结果。空间探测任务,比如PAMELA卫星和国际空间站上的阿尔法磁谱仪(AMS),已经探测到了过量的反物质粒子,它们可能是两个WIMP粒子碰撞时产生的——但这些信号与我们的预期并不真正相符。总体而言,弗伦克说:“对于声称检测到暗物质的这些实验,人们都抱有极大的怀疑态度,因为有其他实验排除了它们的结果。”

然而,最具毁灭性的打击或许是,当我们仔细端详以WIMP为基础的冷暗物质模型的细节时,它似乎并不像我们过去认为的那样,是一位尽善尽美的星系雕塑家。2012年,美国加利福尼亚大学欧文分校的宇宙学家迈克尔·博伊兰-科尔钦(Michael Boylan-Kolchin)模拟了标准冷暗物质对矮椭球星系形成过程的影响,这是一种环绕着银河系运转的迷你卫星星系。通过观察矮椭球星系内部恒星的运动方式,博伊兰-科尔钦能够推断出它们内部暗物质的含量(详见《皇家天文学会月报》,415卷,L40页)。他说:“结果好像讲不通:模拟得到的矮椭球星系要比真实宇宙中我们看到的质量更大、密度更高。”

是时候改变我们的暗物质配方了吗?

温暗物质

菜单上还有其他的选择。如果暗物质不是“凉菜汤”,而是由更富活力的粒子构成的一锅热汤,它们就会更不容易成团,从而形成更为松散的星系。20世纪80年代,对中微子的测量曾让一些研究者相信,这些接近光速飞行的古怪粒子的总质量足以解释暗物质。但事后证明,中微子的总质量被大大高估了,以中微子为基础的热暗物质模型有着与冷暗物质相反的问题:中微子运动太快,根本无法聚焦成相对紧密的类似星系的结构。

还有第3个办法。几年前,弗伦克让他的团队去寻找一个“最佳”解决方法:暗物质既不太热,又不太冷,而是刚刚好。让他们吃惊的是,这种不冷不热的温暗物质能够形成与观测相符的矮椭球星系——而且不会破坏宇宙学模型的其他部分(详见《皇家天文学会月报》,420卷,2318页)。


不冷不热的温暗物质能够形成与观测相符的矮椭球星系。图片来源:新科学家

不过,仍然会有其他影响。温暗物质粒子的主要候选者是中微子中较重而且更难捉摸的一种,被称为惰性中微子。大型强子对撞机或许会在粒子对撞中间接制造出惰性中微子,但它们的信号非常微弱,不一定会被探测到。只有当普通中微子自发转变成惰性中微子并在探测器的监测下消失时,我们才最有希望发现它们。

所以,如果温暗物质才是解决之道,DAMA之类的实验就找错了地方。弗伦克说:“从实验的角度来看,这是非常悲惨的,因为他们已经投入了太多,特别是在直接探测WIMP粒子方面。”这个想法对理论学家也有影响:温暗物质与超对称理论预言的粒子种类没有关联,导致这两个想法都变得相当孱弱。

与此同时,英国爱丁堡大学的豪尔赫·佩尼亚鲁维亚(Jorge Peñarrubia)及其同事,一直在探测近距离矮椭球星系中暗物质的分布。暗物质在这些星系的直径方向上似乎是均匀分布的(参见《天体物理学报》,742卷,20页)。佩尼亚鲁维亚说:“这种恒定不变的密度是我们事先没有预料到的。”用任何温度的暗物质进行计算机模拟,不管是冷的、热的,还是温的,得出的矮星系都是越靠近中心密度越高。理论与观测之间的这一差异,也出现在了体形稍大、距离更远的星系身上。

暗物质中的一些另类或许能够帮助解决这一难题,例如“自相互作用”暗物质——这些活跃的粒子会不断地跳来跳去,很难在狭小的星系中心安定下来。但是,至于什么样的假想粒子能够恰到好处地在矮星系中跳来跳到,在星系团中又不至于显得太过,我们就毫无头绪了。对我来说,这个特殊的暗物质配方闻起来有点腥 。

于是,我们陷入了僵局。冷暗物质并没有完成我们要求它做到的所有工作——不过话说回来,也没有任何其他东西能够做到这一点。

奇怪的是,我自己预感冷暗物质也许最终是正确的。我们必须付出的代价是,不再假设它拥有全权掌控星系的能力。恒星会在它们的一生中产生的能量。当它们寿终正寝时,会爆炸成超新星。盘旋着落入黑洞的气体也会释放出大量的热。这些过程提供的能量足以驱动大量气体在星系内部剧烈运动。对这些巨大的引力骚动,暗物质也无法免疫:它们也会开始随之运动。过去几年里,我和许多同事一直在进行的计算机模拟表明,如果普通气体受到了足够的扰动,暗物质也会陷入真正的动荡,就像雪花玻璃球中的雪花一样翻滚旋转(参见《皇家天文学会月报》,421卷,3464页)。

这样的话,暗物质粒子就可以仍是冷的,仍然是超对称粒子,只是会在大量普通物质的胁迫下变热。这锅原星系“冷汤”中增加的能量会阻止它聚集得过于致密,从而解释银河系周围那些矮星系的结构。剩下的唯一问题是,为什么直接搜寻暗物质的结果至今仍然模棱两可。或许,最尖端的粒子物理实验实在是太难了。

佩尼亚鲁维亚认为,这个想法足够靠谱,“暗物质的重新分布需要巨大的能量,超新星爆炸是唯一可能的来源。”不过,他警告说,不要以为超新星本身就足够了,特别是在矮椭球星系密度这个问题上,“这些星系中较少的恒星数量,把超新星能够提供的能量限制在了堪堪够用的水平上。”博伊兰-科尔钦也怀疑,把所有东西跟超新星爆炸混杂在一起就能够解决全部的问题,“我个人的感觉是,这些效应不太可能挽救冷暗物质理论。”

隐藏的信号

当然,我认为他有点悲观了。我会向大家指出,尽管还非常不确定,但确实有证据支持“普通物质搅乱暗物质”这个想法。证据来自于美国宇航局发射的伽马射线卫星——费米(Fermi),它从2008年以来就一直在寻找暗物质发出的可见信号。这看上去似乎是徒劳的,因为你不可能看见暗物质。不过,就连冷暗物质模型都暗示,你可以看见暗物质的间接信号,比如当暗物质粒子发生碰撞并湮灭时,就会释放出一团能量和一道非常明显的伽马射线闪光。


NASA的费米伽马射线卫星从2008年以来就一直在寻找暗物质发出的可见信号。图片来源:mit.edu

银河系周边的矮星系再次成为了搜寻的好地方。它们距离近,本身又非常暗淡,这意味着任何来自它们那里的伽马射线光子都可能源于暗物质湮灭。官方说法是,我们还什么都没有看到。费米团队成员、美国俄亥俄州立大学的安德里亚·阿尔伯特(Andrea Albert)说:“结果是,到目前为止,我们还没有探测到任何信号。”

然而,2012年4月,独立于费米团队之外的一位科学家、德国马普学会物理学研究所的克里斯托夫·韦尼格(Christoph Weniger)令天体物理学界为之一振,他提出费米卫星其实已经看到了暗物质信号——并非来自矮星系,而是来自于银河系中心附近。他的研究指出,来自这个大致方向上的伽马射线明显超出一大截,能量全都在130 GeV(十亿电子伏特)附近(详见《宇宙学及天体粒子物理学报》,DOI: 10.1088/1475-7516/2012/08/007)。这一信号就隐藏在费米卫星公开发布的数据当中。

这个信号很弱,最强的地方也不在银河系中心(那里才人们预期暗物质应该会聚集的地方),而是偏离中心有1度左右。这一偏差使人们产生了怀疑,认为这一结果只是费米卫星校准不当的结果。

另一种可能是,普通物质搅乱了暗物质。至少,美国加利福尼亚大学伯克利分校的迈克·库伦(Mike Kuhlen)在2012年进行的一项模拟给出了这样的暗示(详见arxiv.org/abs/1208.4844)。库伦说:“这让我吃惊,但只要考虑气体和恒星,你几乎立即就能看到模拟中的暗物质偏离了中心。”

如此看来,只要考虑普通物质的影响,标准冷暗物质模式就不会有任何问题了。别这么着急,弗伦克说。如果是超对称粒子的相互湮灭产生了这些伽马射线,它们就不应该全都携带着某一个标准能量,能量范围应该更宽才对:湮灭机制会产生电子和正电子,它们会在无法预料的反复爆发中逐步释放它们的能量。他说:“这种情况绝对令人着迷,但我认为我们还没有观测到它。”

如果搜寻暗物质的众多实验开始给出一致的结果,事情或许会在一瞬间发生改变。但这至少还要好几年的时间。在此期间,各种意见不合仍会不绝于弗伦克的耳朵。“我们不知道冷暗物质是否正确,”他说,“但如果每个人都只是盲从于某个想法的话,事情就不会再有进展了。”

 

编译自:《新科学家》,End of darkness: The stuff that really rules the cosmos

本文作者安德鲁·彭岑(Andrew Pontzen)是英国牛津大学的理论宇宙学家。

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发布于2013-04-09, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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