香港大学天体物理学家从时空皱缩中揭示暗物质本质
香港大学物理学系的天体物理学家团队，与来自香港科技大学的诺贝尔物理学奖得主乔治．斯穆特教授，及哈佛－史密松天体物理中心的Razieh Emami博士合作展开研究，发现暗物质并非由大质量粒子组成，而是由能像波一样穿梭于太空之中的超轻粒子组成。
此项研究揭示了构成暗物质的粒子性质，乃迈向新物理学的第一步，对未来科学有重大影响。
宇宙中的绝大部分物质都无法被直接观测得到，因为它们由标准粒子物理学模型（注一）所无法解释的粒子组成。按质量计算，这些粒子占据了宇宙质量的85%，数量之多令人十分惊讶。这些粒子被称为暗物质。暗物质的存在可以通过它们对来自遥远星系的光产生的引力效应来进行推断。由于暗物质支配着星系的质量和引力，因此，找到暗物质的构造对现代物理学来说是一个迫切需要解决的问题 — 解开这个谜团能带领我们走向超越标准模型的新物理学。
一些理论模型提出暗物质有可能是由大质量粒子组成，而另一些则认为较可能由超轻粒子组成。
由香港大学（港大）物理学系林仁良博士团队中的博士生Alfred AMRUTH领头，与来自香港科技大学（科大）的诺贝尔物理学奖得主乔治·斯穆特教授及哈佛-史密松天体物理中心的Razieh EMAMI博士合作的研究，提供了当今最直接有力的证据 — 研究指出暗物质并非由大质量粒子组成，而是由能像波一样穿梭于太空之中的超轻粒子组成。这些研究结果解决了一个在二十年前首次提出的天体物理学问题 — 为什么采用大质量粒子的模型无法正确预测由引力透镜效应产生的同一星系的多重影像的位置和亮度？研究结果最近已在《自然·天文学》期刊上发表。
暗物质既不会发光，亦不会吸收或反射光，因而难以运用传统的天文学技术来观测。如今，天体物理学家用以研究暗物质的最佳方法，是通过爱因斯坦在广义相对论中预测的引力透镜现象。在这个理论中，质量会扭曲时空，使得光线在质量巨大的物体如恒星、星系或星系团的周围弯曲。通过观察这种光的弯曲，科学家们可以推断出暗物质的存在和分布，以及正如本研究所证明的那样，推断出暗物质本身的性质。如图一所示，当前景透镜物体和背景物体（两者各自都是单独的星系）对齐时，我们便可以在天空看到多幅相同背景物体的影像。其中多重成像的位置和亮度，取决于前景透镜物体的暗物质分布，因此引力透镜为探测暗物质提供了一个非常有力的方法。
在二十世纪七十年代时，当暗物质的存在被敲定以后，一种被称为“大质量弱相互作用粒子”（WIMPs）的假想粒子被提出作为暗物质的候选粒子。这种被认为拥有至少比质子重十倍并只以弱作用力与其他粒子产生交互作用的大质量粒子源于“超对称理论”，此理论用以填补标准模型中的不足，并自提出以来就被大力鼓吹为暗物质的最佳候选粒子。在过去的二十年中，天体物理学家一直采用这些大质量粒子作为暗物质，并假设暗物质密度从星系中心平滑地向外递减，却未能正确地重现多重成像的位置和亮度（见图二）。
暗物质本质的另一假设
同样始于七十年代，一些理论却主张超轻粒子作为暗物质的候选成分。这些理论旨在纠正标准模型中的缺陷，或试图一统四种基本力（标准模型中的三种力加上引力）。这些假想粒子被称为“辐子”，其预测质量甚至比标准模型中最轻的粒子还要轻得多，是暗物质的另一个候选粒子。
根据量子力学理论，超轻粒子以波的形式在太空中传播，而大量粒子之间的互相作用，导致密度产生随机波动，这些暗物质的随机密波动导致时空皱缩，有如图三中环绕着星系的暗物质所示。不出所料，基于大质量粒子组成的暗物质和基于超轻粒子组成的暗物质会在星系周围分别产生出不同的时空状态，或光滑或呈皱折状，并如同图中所示般改变了背景星系的多重成像的位置和亮度。
右：超轻暗物质的随机密度波动令时空充满皱缩，来自背景星系的光线会在前景透镜星系周围沿着混乱的路径传播。因而不难推断出，透镜星系周围的不同形式的暗物质会使得我们在地球上观测到的背景星系的多重成像有不同的位置和亮度，从而天体物理学家得以探究暗物质的本质。
由港大林仁良博士团队中的博士生 Alfred AMRUTH带领，团队首次计算了由超轻暗物质粒子（也称为波状暗物质）与大质量暗物质粒子所组成的星系在生成引力透镜成像方面的差异。该研究从引力透镜的角度证明，由超轻粒子组成的暗物质可以大幅度减少大质量粒子暗物质模型下多重成像的预测位置和亮度与实际观测上的差异。此外，他们证明了包含超轻暗物质粒子的模型可以重现多重透镜星系成像的位置和亮度，这一成果揭示了星系周围时空应呈现皱缩而非平滑的特性。
“长久以来，科学界一直主张暗物质并非由大质量粒子组成，以解决实验室实验和天文观测中的其他问题。” 林仁良博士续说：“实验室里一直未能成功地找到WIMPs这种长期被认为是暗物质的最佳候选粒子。这些实验正处于最后的阶段，并在DARWIN实验达到探测灵敏度的高峰时，如果还是找不到WIMPs的存在，届时大质量粒子的假设将再无处容身”（注二）
现任巴斯克大学Ikerbasque教授、港大访问教授暨文章合作者之一Broadhurst教授补充道：“如果黑暗物质是由大质量粒子组成，那么根据宇宙模拟预测，应该有数百个卫星星系绕着银河系。然而，尽管进行了大量搜索，但到目前为止只发现了约50个。相反，如果暗物质由超轻粒子构成，那么根据量子力学理论的预测，由于这些粒子的波动会产生干涉，低于一定质量的星系根本无法形成，这解释了为什么我们观察到银河系周围缺乏小卫星星系。”
Amruth认为将超轻粒子纳入暗物质模型，可以同时解决粒子物理学和天体物理学中的几个长期存在的问题。他表示：“推翻长久以来被视为暗物质候选粒子大质量粒子并不容易，但越来越多的证据支持暗物质具有超轻粒子所拥有的波动特性，可见现有的暗物质范式须重新考虑。” 这项开创性的研究运用了港大超级计算机系统，没有它的强大运算能力，这项研究研究可能不会成功。
共同作者乔治·斯穆特教授补充说：“了解构成暗物质的粒子的性质是迈向新物理学的第一步。这项工作为未来在涉及引力透镜的情况下测试类波暗物质打下了基础。詹姆斯韦伯太空望远镜应该会发现更多的引力透镜系统，使我们能够对暗物质的性质进行更严格的测试。”
注一：粒子物理学的标准模型是一个统合了宇宙中已知的四种基本力其中三种力（即电磁和弱、强作用力，重力除外）的理论模型，并为所有已知的基本粒子进行了分类。虽然标准模型取得了巨大的成功，但它仍无法解释一些现象。例如，存在一些只通过重力与标准模型中已知粒子相互作用的粒子。因而标准模型无法成为一个完整的基本相互作用理论。如欲了解更多，请参阅以下网址：https://home.cern/science/physics/standard-model
注二：https://www.nature.com/articles/d41586-020-02741-3
来源：香港大学理学院
