暗物質是真的嗎？當代天文學的數十年之謎

當代天文學遇上了點麻煩。天文學家們認知到恆星是如何形成、如何燃燒和如何死亡的，而且正在加深對行星如何組裝成像我們所處的行星系統的認知。儘管在天體物理學和天文學方面一直在取得進展，但天文學家們有一個基本問題是：不瞭解星系是如何存在的。經過數十年的研究，這個問題仍未解決。

這個問題看起來並不複雜。星系是由引力聚集在一起的恆星集合。就像我們的太陽系一樣，它們旋轉，恆星沿著穩定的路徑行進，圍繞銀河系中心執行。在距銀河系中心的任何固定距離處，移動得更快的恆星需要更強的引力才能將它們保持在該軌道上。當天文學家在距離中心一定距離的星系中測量恆星的軌道速度時，他們發現恆星移動得如此之快，以至於星系應該被撕裂。

對這一觀測難題最常見的解釋是，一種迄今為止尚未發現的物質形式：暗物質。如果它存在，暗物質會施加引力，但它不會發光或任何形式的電磁輻射。這意味著望遠鏡或天文學家用來觀察宇宙的任何儀器都無法看到它。這種看不見的暗物質會增加任何星系的引力，這解釋了為什麼恆星如此快速地圍繞星系執行。

暗物質假說的關鍵問題在於，沒有人知道暗物質可能採取什麼樣的形式。

早在1933年，瑞士裔美國天文學家

弗裡茨·扎維奇（

Fritz Zwicky）首次提出了該術語時，額外的質量可能只是氫氣雲。星際氫氣在很大程度上對望遠鏡是不可見的。然而，隨著技術的進步，天文學家找到了測量星系中氫氣含量的方法，雖然那裡有很多氫氣，但不足以解釋星系旋轉的奧秘。

已經提出的其他解釋包括燒燬的恆星、黑洞和其他已知存在於星系中但不發光的物體。然而，天文學家在1990年代搜尋了此類天體——

暈族大質量緻密物質

（ MACHOs，MAssive Compact Halo Objects 的縮寫），雖然再次發現了

暈物質的例子，但還是不足以解釋星系中恆星的運動。

弱相互作用大質量粒子（WIMPs）

排除了如上面的一些較為簡單的解釋，科學家們開始認為暗物質可能是以一種“氣態”的形式存在，或者以從未見過的粒子的形式存在。這些粒子通常被稱為“弱相互作用大質量粒子”（

Weakly Interacting Massive Particles

，縮寫WIMPs）。如果存在的話，基本上是穩定的亞原子粒子，其質量在一個到1萬個

質子的質量範圍內。

與所有候選暗物質粒子一樣，弱相互作用大質量粒子與引力相互作用，但如名稱所示它們透過弱核力相互作用。弱核力與某些形式的放射性有關。比引力強得多，但與引力的無限範圍不同，弱核力只作用於很小的距離——比質子小得多的距離。如果弱相互作用大質量粒子存在，它們會遍佈星系，包括我們的銀河系，甚至我們自己的太陽系。根據弱相互作用大質量粒子的質量，天文學家估計，如果你握緊拳頭，就會在你的拳心中找到一顆暗物質粒子。

幾十年來，科學家們一直在尋找直接和令人信服的證據來證明這種弱相互作用大質量粒子的存在，透過多種不同的方式探索。例如，一些弱相互作用大質量粒子理論表明弱相互作用大質量粒子可以在粒子加速器中製造，例如歐洲的大型強子對撞機。粒子物理學家檢視他們的資料，希望看到弱相互作用大質量粒子產生的特徵。到目前為止，還沒有觀察到任何證據。

研究人員尋找弱相互作用大質量粒子的另一種方法是直接觀察飄過太陽系的暗物質粒子。科學家們建造了非常大的探測器並將它們冷卻到非常低的溫度，因此探測器的原子移動緩慢。然後，他們將這些探測器放置在地下1裡深或地下更深的地方，以免受來自太空的輻射。然後希望暗物質粒子會在這樣的探測器中相互作用，干擾其中一個幾乎靜止的原子。

經過了數十年的努力，仍未觀察到弱相互作用大質量粒子。1980年代的預測表明，研究人員可以期望以特定的速率檢測弱相互作用大質量粒子。當沒有檢測到弱相互作用大質量粒子時，研究人員構建了一系列靈敏度更高的探測器，但均未能找到。目前的探測器比1980年代的探測器要靈敏高達1億倍，還是沒有得到對弱相互作用大質量粒子明確的觀察，包括

最近LZ實驗（勒克斯-澤普林實驗，LUX-Zeplin experiment）的測量，該實驗使

用10噸氙氣來實現對弱相互作用大質量粒子觀察的無與倫比的靈敏度。

期待

經過幾十年來的努力，未能探測到暗物質，科學界目前在重新審視這種狀況、重新梳理：什麼東西是我們肯定認知到的？天文學家確信，星系的旋轉速度超過了使用已知的運動和引力定律以及觀察到的物質數量所能解釋的速度。暗物質假說是解決此問題的方案，但也許它不是答案，也許實用的解釋是運動和萬有引力定律需要重新審視。

這種重新審視的方法稱為

“牛頓動力學修

正

”（MOdifications of Newtonian Dynamics，縮寫

MOND）

。1980 年代，以色列物理學家

莫德採-米爾格羅姆（

Mordehai Milgrom）提出了第一個此類解決方案。他提出，對於我們日常所經歷的熟悉運動，牛頓在1600年代制定的運動定律很適用。但是對於非常小的力和非常小的加速度（比如在星系的外圍），這些定律需要進行調整。經過這些調整，他可以正確預測星系的自轉。

儘管

牛頓動力學修

正取得一些

響亮的成功，但它是改變了方程以匹配觀察到的星系旋轉特性。這不是對理論的成功檢驗，它在建立方程式之前就知道了答案。

為了檢驗米爾格羅姆的理論，研究人員需要比較它在其他情況下的預測，例如將其應用於透過相互引力吸引在一起的大型星系團的運動。

“牛頓動力學修

正

”

理論努力對這種運動做出了與理論一致的預測，但同時也與其他的觀察結果不一致。

所以，問題的最後答案到底在哪裡？當代天文學正處於一個仍在尋求該謎團的解決方案的階段。雖然學界大多數都站在“暗物質”觀點一邊，但問題是並未能證明暗物質的存在，與此同時一些研究也正在更加認真地考慮修改公認的運動和引力定律理論。

暗物質被認為是普通原子物質的五倍。如果正確的答案是我們需要重新審視我們的運動和引力定律，這將對我們關於宇宙歷史的建模認知產生重大影響。LZ 實驗還在繼續執行，希望能夠提高其已經令人印象深刻的效能，研究人員還在建造新的探測器，希望能找到暗物質並最終能解開這個謎團。

參考：https：//bigthink。com/hard-science/dark-matter-explainer/