暗物質(zhì)究竟是由什么組成的，這個(gè)問題至今還沒有答案。弱相互作用大質(zhì)量粒子曾是最受歡迎的猜想，但隨著時(shí)間的流逝，對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)和直接粒子探測(cè)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)都顯得對(duì)它不利。現(xiàn)在，是時(shí)候讓我們重視起軸子和類軸子了。為了驗(yàn)證這類模型，科學(xué)家或許會(huì)把更多的精力投入到廣闊的宇宙空間中。
在這篇節(jié)選自《環(huán)球科學(xué)》5月新刊的文章中，錢達(dá)·普雷斯科德-溫斯坦將帶我們從宇宙中形式各異的太空信號(hào)中尋找暗物質(zhì)的本質(zhì)。
魯賓在20世紀(jì)60年代做出了足以傳世的成果。她在研究星系內(nèi)的恒星時(shí)發(fā)現(xiàn)了一些奇怪的現(xiàn)象：星系外圍的恒星速度比預(yù)想的要快。她的工作與弗里茨·茲威基（Fritz Zwicky）在20世紀(jì)30年代早期對(duì)星系團(tuán)的研究結(jié)果相呼應(yīng)，弗里茨·茲威基的研究結(jié)果導(dǎo)致他提出存在“Dunkle Materie”，這在德語(yǔ)里是“暗物質(zhì)”的意思。整個(gè)70年代，魯賓和美國(guó)天文學(xué)家肯特·福特（Kent Ford）都在發(fā)表支持此結(jié)論的數(shù)據(jù)。而到了80年代早期，科學(xué)家已經(jīng)普遍接受了物理學(xué)中存在一個(gè)暗物質(zhì)問題。
大多數(shù)在實(shí)驗(yàn)室中尋找暗物質(zhì)的嘗試都可以分為三類。第一類是“直接探測(cè)”實(shí)驗(yàn)，以普通物質(zhì)作為靶粒子，比如氙元素，來尋找暗物質(zhì)粒子與靶粒子之間的互動(dòng)。第二類是對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)，例如在瑞士日內(nèi)瓦附近的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上，將兩個(gè)普通物質(zhì)粒子加速對(duì)撞粉碎，希望以此產(chǎn)生暗物質(zhì)粒子。第三類是“間接探測(cè)”實(shí)驗(yàn)，通過暗物質(zhì)與自身的相互作用產(chǎn)生出的可觀測(cè)粒子來尋找暗物質(zhì)存在的證據(jù)。
到目前為止，以上的策略都還尚未發(fā)現(xiàn)這些“缺失”的暗物質(zhì)。我們也仍然不知道暗物質(zhì)是否能在引力之外與普通物質(zhì)相互作用?；蛟S我們建造的加速器就不可能產(chǎn)生暗物質(zhì)，我們組建的實(shí)驗(yàn)也探測(cè)不到。因此，通過天文觀測(cè)在宇宙中尋找暗物質(zhì)，是我們最大的希望之一。
盡管這種暗物質(zhì)研究方法很有前景，但有時(shí)，天文學(xué)家和物理學(xué)家在觀念上會(huì)有分歧。物理學(xué)家傾向于重視對(duì)撞機(jī)和實(shí)驗(yàn)室探測(cè)，并不總優(yōu)先考慮暗物質(zhì)與天體物理學(xué)工作的聯(lián)系，這種觀念上的脫節(jié)在資金資助上也會(huì)有所體現(xiàn)。而天文學(xué)家這邊則傾向于把暗物質(zhì)當(dāng)作粒子物理學(xué)問題而不予考慮。到2022年，我們將有機(jī)會(huì)改變這一現(xiàn)狀。21世紀(jì)20年代初，粒子物理學(xué)界開始制定“斯諾馬斯”（Snow mass）團(tuán)體發(fā)展規(guī)劃。這個(gè)規(guī)劃大約每十年進(jìn)行一次，物理學(xué)家聚在一起，向一個(gè)美國(guó)國(guó)會(huì)授權(quán)的專家組解釋未來的科學(xué)項(xiàng)目，該專家組將決定這些科學(xué)問題的優(yōu)先順序。暗物質(zhì)的宇宙學(xué)探測(cè)則首次成為了優(yōu)先考慮的方向之一。
“候選者宇宙”
盡管對(duì)暗物質(zhì)仍知之甚少，但與魯賓在做相關(guān)研究的70和80年代相比，我們已經(jīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。我們現(xiàn)在知道，有充分的證據(jù)表明每個(gè)星系都生活在自己的暗物質(zhì)氣泡中，這被稱為暗物質(zhì)暈。在這些星系和暈組成的系統(tǒng)中，暗物質(zhì)總量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了恒星、行星和氣體中的普通物質(zhì)。換句話說，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室和對(duì)撞機(jī)中能夠識(shí)別的所有粒子，也就是粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型中的那些粒子，只占宇宙中正常引力物質(zhì)的20%左右。如果還要考慮暗能量，那么我們對(duì)宇宙的了解就只剩下大約4%了。
物理學(xué)家已經(jīng)考慮了各色的暗物質(zhì)候選者。大多數(shù)科學(xué)家傾向于“冷暗物質(zhì)”，即由運(yùn)動(dòng)速度要比光速慢得多的非相對(duì)論性粒子組成的暗物質(zhì)。在冷暗物質(zhì)中，經(jīng)典的模型之一是弱相互作用大質(zhì)量粒子（weakly interacting massive particle，WIMP）。科學(xué)家們推測(cè)，在宇宙早期這種粒子可以自然地形成，并通過弱力與常規(guī)物質(zhì)有一定的相互作用。最受歡迎的WIMP粒子是費(fèi)米子，這是包含電子和夸克在內(nèi)的一類粒子。
在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，尤其是在美國(guó)，WIMP是最受歡迎的暗物質(zhì)候選者。不過近年來，人們的看法發(fā)生了轉(zhuǎn)變，原因是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)以及其他任何直接、間接探測(cè)實(shí)驗(yàn)都沒有發(fā)現(xiàn)WIMP存在的證據(jù)。
近期，粒子物理學(xué)界對(duì)軸子感到興奮不已，它是另一種假想的暗物質(zhì)候選粒子。根據(jù)理論預(yù)測(cè)，軸子的質(zhì)量比WIMP小，且不是費(fèi)米子。相反，軸子是一種玻色子，光子也是一種玻色子。作為玻色子，軸子與WIMP的性質(zhì)有著本質(zhì)上的不同，這為它們可能形成的不同結(jié)構(gòu)打開了一扇有趣的大門。最初正是受到軸子的吸引，我才進(jìn)入暗物質(zhì)研究領(lǐng)域的。
誘人的替代選項(xiàng)
2014年，我是麻省理工學(xué)院的馬丁·盧瑟·金（Martin Luther King Jr）博士后，先在卡弗里天體物理研究所（Kavli Institute for Astrophysics），后在理論物理中心（Center for Theoretical Physics，CTP），負(fù)責(zé)尋找一些有興趣的研究課題。馬克·赫茨伯格（Mark Hertzberg）當(dāng)時(shí)也是理論物理中心的一名博士后，我和他談起物理學(xué)家之間爆發(fā)的一場(chǎng)辯論: 軸子能形成一種被原子物理學(xué)稱為“玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)”的奇特物質(zhì)狀態(tài)嗎？
存在這種可能性的原因在于軸子是玻色子，而不是費(fèi)米子。費(fèi)米子（包括WIMP）必須遵守泡利不相容原理，意味著兩個(gè)費(fèi)米子不能占據(jù)全同的量子態(tài)。而另一方面，因?yàn)檩S子是玻色子，它們就可以占據(jù)相同量子態(tài)。這意味著當(dāng)我們充分冷卻軸子后，它們能進(jìn)入相同的低能態(tài)，并像單個(gè)超粒子一樣進(jìn)行集體運(yùn)動(dòng)，這就是玻色-愛因斯坦凝聚。
軸子，是由弗蘭克·維爾切克（Frank Wilczek）在20世紀(jì)70年代命名的，他是赫茨伯格在麻省理工學(xué)院的博士導(dǎo)師。維爾切克是最早意識(shí)到羅伯托·佩切伊（Roberto Peccei）和海倫·奎因（Helen Quinn）提出的模型結(jié)果的人之一，維爾切克以一種洗衣液品牌將這種粒子命名為“軸子”（axion）。
傳統(tǒng)的軸子起源于對(duì)佩切伊-奎因?qū)α孔由珓?dòng)力學(xué)理論（QCD）的擴(kuò)展。QCD描述了四種基本相互作用中的強(qiáng)相互作用力。盡管QCD模型非常成功，但它的一些預(yù)言現(xiàn)象我們從未在實(shí)驗(yàn)室中觀測(cè)到。佩切伊和奎因的工作解決了這個(gè)矛盾，也提供了一種暗物質(zhì)的產(chǎn)生機(jī)制。同時(shí)，另一種被稱為弦理論的設(shè)想中，預(yù)言了一系列與傳統(tǒng)軸子有著相同數(shù)學(xué)架構(gòu)的粒子，這些粒子被稱為類軸子。通常認(rèn)為傳統(tǒng)的QCD軸子質(zhì)量約為10-40千克，大約比電子輕10個(gè)數(shù)量級(jí)，而弦理論中的類軸子則可以輕得多，輕到10-63 千克。
赫茨伯格、我以及我們博士后導(dǎo)師阿蘭·古思（Alan Guth）的合作研究對(duì)軸子如何能形成玻色愛因斯坦凝聚的這個(gè)熱門觀點(diǎn)開展了爭(zhēng)論。美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)的皮埃爾·西基維（Pierre Sikivie）是一位杰出的物理學(xué)家，他在2009年提出QCD軸子會(huì)在宇宙極早期形成大型凝聚體的觀點(diǎn)，引起了極大的轟動(dòng)。他的計(jì)算表明，這會(huì)導(dǎo)致星系中產(chǎn)生環(huán)狀的暗物質(zhì)暈，而不是像大多數(shù)天文學(xué)家，以及WIMP模型所預(yù)測(cè)的那樣，形成球形的暈。假如此觀點(diǎn)成立，我們或可通過觀察暈的形狀來判斷暗物質(zhì)的成分。
我們的論文發(fā)表的同一年，另一個(gè)小組也正在研究類軸子粒子的其他有趣現(xiàn)象。薛熙于在中國(guó)臺(tái)灣大學(xué)就職，他牽頭的團(tuán)隊(duì)發(fā)表了常稱為“超輕軸子”或“模糊暗物質(zhì)”的類軸子計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果。之所以這樣稱呼是因?yàn)樗鼈兊馁|(zhì)量非常低，因而行為更像模糊的波而不像點(diǎn)粒子。他們的工作表明這些粒子可以形成波狀的暗物質(zhì)暈，在其核心處存在玻色-愛因斯坦凝聚。薛熙于的論文使科學(xué)家對(duì)超輕軸子產(chǎn)生了新的興趣，并相信能通過天體物理觀測(cè)發(fā)現(xiàn)我們預(yù)期的波狀暈結(jié)構(gòu)。
如今，軸子、類軸子與WIMP并列成為了暗物質(zhì)最佳的候選方案。而另一個(gè)逐漸獲得關(guān)注度的類型叫做自相互作用暗物質(zhì)。這個(gè)觀點(diǎn)預(yù)言費(fèi)米子暗物質(zhì)粒子之間應(yīng)存在一種引力之外的自相互作用。暗物質(zhì)暈通常是平滑的球狀，這種自相互作用則能導(dǎo)致它產(chǎn)生更有趣的結(jié)構(gòu)和形態(tài)。有趣的是，軸子之間也可以有自相互作用。
在WIMP、軸子和自相互作用暗物質(zhì)外，還有另一種可能的候選者：中微子。它只能解釋一小部分暗物質(zhì)，我們稱之為宇宙中微子背景。此外，理論上中微子在標(biāo)準(zhǔn)模型中還有一種假設(shè)的伙伴：惰性中微子。惰性中微子與中微子不同，它們主要通過引力相互作用，參與標(biāo)準(zhǔn)模型中相互作用的程度反倒非常低。并且，它們可能是最受歡迎的“溫暗物質(zhì)”候選者——至少是介于熱與冷之間的暗物質(zhì)候選者。
理論物理學(xué)家剛開始探討的另一個(gè)觀點(diǎn)是：暗物質(zhì)或許不止是一種，而是一類粒子。也有可能暗物質(zhì)是由傳統(tǒng)的軸子、類軸子、WIMP、惰性中微子和自相互作用暗物質(zhì)一起組成的。甚至還有另外一種可能性，暗物質(zhì)實(shí)際上是由在早期宇宙中形成的恒星級(jí)質(zhì)量的黑洞組成的。自從2017年發(fā)現(xiàn)了引力波，表明這個(gè)質(zhì)量級(jí)別的黑洞數(shù)量比以前設(shè)想的要多一些，這種觀點(diǎn)就更受歡迎了。
來自太空的線索
在天文學(xué)中，我們總是采用比較被動(dòng)的觀測(cè)方式。雖然我們可以選擇儀器，但我們不能創(chuàng)造一個(gè)星系或者恒星來觀察它的演化過程。宇宙中，大多數(shù)過程的時(shí)間尺度對(duì)人類而言并不友好。星系形成需要數(shù)十億年，而釋放暗物質(zhì)粒子的宇宙學(xué)過程也需要幾十到幾百年的時(shí)間。
即便如此，暗物質(zhì)的天體物理學(xué)探測(cè)仍為我們提供了豐富的信息。例如美國(guó)航空航天局（NASA）的費(fèi)米伽馬射線空間望遠(yuǎn)鏡（Fermi Gamma-ray Space Telescope）通過尋找只有暗物質(zhì)才能發(fā)出的伽馬射線信號(hào)，就起到了暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)裝置的作用。
事實(shí)上，費(fèi)米望遠(yuǎn)鏡確實(shí)在銀河系中心看到了過量的伽馬射線。這激起了觀測(cè)家和理論家們的激烈爭(zhēng)論。一種解釋是，這就是暗物質(zhì)相互碰撞的結(jié)果。另一種可能性是，信號(hào)來自銀河系中心附近的中子星，而中子星在其生命歷程中會(huì)發(fā)射伽馬射線。一些天體物理學(xué)家更傾向于中子星這種常規(guī)的解釋，而其他人則認(rèn)為信號(hào)是暗物質(zhì)產(chǎn)生的。只有對(duì)更詳盡的觀測(cè)進(jìn)行分析之后，才能夠說服大家去相信這個(gè)觀點(diǎn)。費(fèi)米望遠(yuǎn)鏡未來的觀測(cè)數(shù)據(jù)，以及NASA的全天中能段伽馬射線探測(cè)器（All-sky Medium Energy Gamma-ray Observatory eXplorer，簡(jiǎn)稱為AMEGO-X）等未來實(shí)驗(yàn)提議將有可能終結(jié)這個(gè)爭(zhēng)論。
科學(xué)家們也曾利用費(fèi)米望遠(yuǎn)鏡來尋找軸子存在的證據(jù)。當(dāng)軸子遇到磁場(chǎng)時(shí)，理論上有幾率衰變?yōu)楣庾印?/span>我們希望通過長(zhǎng)距離的觀測(cè)來發(fā)現(xiàn)這種光信號(hào)，從而證明軸子存在。而中子星雖然可能混雜了銀河系中心的信號(hào)，但它本身實(shí)際上也可以是尋找暗物質(zhì)的好地方。一些理論認(rèn)為，高速旋轉(zhuǎn)的致密中子星，星體核心處的質(zhì)子和中子碰撞會(huì)產(chǎn)生軸子。這些軸子與光子相互轉(zhuǎn)化并逃離恒星時(shí)，或許能被我們觀測(cè)到。只要我們觀測(cè)的時(shí)間足夠長(zhǎng)，隨著中子星在幾十到幾百年的時(shí)間里釋放這些軸子，中子星就會(huì)以一種我們能夠測(cè)量的方式冷卻下來。目前另一個(gè)熱門研究課題是非軸子暗物質(zhì)能否在中子星中聚集，從而影響星體的結(jié)構(gòu)。
我們還可以通過研究宇宙微波背景（CMB）來更多地了解暗物質(zhì)的本質(zhì)，這是迄今為止我們所掌握的暗物質(zhì)存在的最好證據(jù)。事實(shí)證明，我們只有假設(shè)暗物質(zhì)存在，才能解釋在宇宙微波背景中看到的圖案。這些數(shù)據(jù)中的圖案可以告訴我們暗物質(zhì)在宇宙總能量中的占比；它甚至有助于限制暗物質(zhì)粒子可能的質(zhì)量范圍。就在我寫這篇文章時(shí)，CMB-stage 4合作組正準(zhǔn)備使用位于智利阿塔卡馬沙漠和南極的一系列望遠(yuǎn)鏡，對(duì)宇宙微波背景進(jìn)行迄今為止最精密的測(cè)量。
可預(yù)期的未來
NASA的羅曼空間望遠(yuǎn)鏡（Nancy Grace Roman Space Telescope）將于2025年發(fā)射，雖然它主要專注于研究宇宙加速膨脹（“暗能量問題”）和系外行星，但它也能加深我們對(duì)暗物質(zhì)的了解。同時(shí)，位于阿塔卡馬沙漠的薇拉·C.魯賓天文臺(tái)也將繼續(xù)支持許多方面的研究，其中包括搜尋魯賓賴以成名的暗物質(zhì)。
換句話說，未來數(shù)年將有許多事情值得期待。原因之一在于，幾乎任何大尺度天文觀測(cè)都能告訴我們一些暗物質(zhì)的信息。例如，一個(gè)由阿爾瑪·X．岡薩雷斯-莫拉萊斯（AlmaX. Gonzalez-Morales）和路易斯·阿圖羅·烏雷尼亞-洛佩斯（Luis Arturo Ure?a-López）領(lǐng)導(dǎo)的墨西哥團(tuán)隊(duì)證明，我們可以利用引力透鏡現(xiàn)象來限制模糊暗物質(zhì)的質(zhì)量。莫拉萊斯和洛佩斯積極參與了魯賓天文臺(tái)時(shí)空巡天歷史數(shù)據(jù)項(xiàng)目，他們從事引力透鏡的研究，也參加了暗物質(zhì)工作組。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)將能捕獲到更詳細(xì)的暗物質(zhì)暈信息，計(jì)算機(jī)也能對(duì)暗物質(zhì)候選者進(jìn)行模擬，我們正在工作組中討論如何對(duì)比二者的結(jié)果。同樣，羅曼望遠(yuǎn)鏡對(duì)大尺度結(jié)構(gòu)的巡天觀測(cè)也將為暗物質(zhì)在宇宙尺度上的行為提供更多信息。
我將積極參與斯諾馬斯規(guī)劃活動(dòng)，不僅作為一名科學(xué)家，而是與亞歷克斯·德里克·瓦格納（Alex Drlica Wagner）和郁海波一起，擔(dān)任宇宙學(xué)前沿中“暗物質(zhì)：宇宙學(xué)的探測(cè)”方向的三位召集人。我們的任務(wù)是向資助方的決策者們闡明當(dāng)前天體物理學(xué)在暗物質(zhì)搜尋方面的熱度與機(jī)遇。
從事科學(xué)工作絕不僅是計(jì)算、觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)；它還涉及與他人開展合作，其中包括政策制定者。我們能取得多大的進(jìn)展，一定程度上取決于我們從立法者那里獲取的支持力度。想到這一點(diǎn)當(dāng)然會(huì)給人很大壓力。好消息是整個(gè)宇宙都值得我們?nèi)ヌ剿?，而嘗試?yán)斫獍滴镔|(zhì)是一種很不錯(cuò)的消遣。
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