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新工商時報即將上線了

暗物質探索簡史 看不見的存在

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流星劃過天空時,會留一道軌跡;兩個黑洞合併時,會震蕩出漣漪。但有一種物質在宇宙中隱身了100多億年,甚至早於銀河系誕生的138億年前,它佔據著全部物質能量的85%,卻從來沒有被人類感知過,當我們逐漸意識到這個龐然大物,卻發現我們對其一無所知。它就是暗物質,被認為是繼哥白尼(Nicolaus Copernicus)的日心說、牛頓(Isaac Newton)的萬有引力定律、愛因斯坦(Albert Einstein)的相對論及量子力學之後,人類認識宇宙的又一次突破。

中國大陸首顆暗物質探測衛星「悟空」宣佈探測到暗物質,在過去一段時間裏引來社會各界密切關注,或許能如《西遊記》裏的齊天大聖一樣,用「火眼金睛」看穿暗物質的真相,洞察百億年來宇宙生命的發展走向。

以「重力透鏡」探測暗物質

如果「物質」是看得著、摸得到的東西,那「暗物質」顧名思義則正好相反,它是宇宙中捉摸不定的物質,看不到也無法觸碰感知。稱其為「暗」其實也不準確,通常情況下,我們認為某樣東西暗,是因為光被吸收了,但暗物質並不暗,它是透明的,暗的物質吸收光,而透明的物質則是「無視」光,光能擊中暗物質,但不會反射或吸收光,也不與光互相作用,兩者相遇也並不會有任何改變。因而暗物質最初的發現,可以說是意外之喜。

在1933 年,瑞士天文學家佛利茨.茲威基(Fritz Zwicky)觀察了后髮座星系團的星系速度,透過對恆星速度的測量,計算出了星系團的總質量,進而推測出星系團產生的引力。我們知道,在天體物理學中,星系團中的物質引力和所包含的恆星動能相當,所以星系團會是呈穩態的系統。但根據茲威基的測量結果,他發現,其應有的質量總量,竟是所測發光物質總量的400倍。這就意味宇宙中存在著一種額外物質,才能解釋這一結果,於是茲威基將其命名為「Dunkle Materie」,這是德語對暗物質的稱呼。無獨有偶,荷蘭天文學家歐特(Jan Oort)也在前一年得到了與茲威基相似的結論,他意識到,在臨近星系中,如果僅僅把星系的速度歸結於發光物質的話,恆星的速度不足以到達當下的速度,因此,歐特也推測,或許宇宙中存在一種不發光的普通物質。

儘管有了這些早期的觀測,但暗物質在相當長一段時間裏基本上是被忽略的。直到20世紀70年代,才又再次流行起來,天文學家對本銀河系的衛星星系(大、小麥哲倫星雲及其他的矮星系)的運動作了詳細觀測,他們發現,只有額外的看不見的物質存在時,才能解釋這些衛星星系的運動狀態。

在這一次「復興運動」裏,美國天文學家薇拉.魯賓(Vera Rubin)可稱得上是暗物質地位的鞏固者,她透過了仙女座星雲開始測量星系中恆星的軌道速度,發現恆星的旋轉速度在距離星系中心的任何距離上大致一致,甚至在包含發光物質的區域以外地方也一樣。對此唯一可能的解釋是,還存在著一些沒有考慮到的物質,正是因為它們的引力作用,控制著外圍遙遠恆星的運動,讓它們的運動比預期要快。如果沒有額外的物質,恆星的運動速度,將使其飛出銀河系外。

此後,關於暗物質存在的證據也變得越來越強大,尤其是重力透鏡效應下的愛因斯坦十字(Einstein Cross)和子彈星系團(Bullet Cluster ,1E 0657-558)的發現。當提到重力透鏡時,很多人便會聯想到愛因斯坦十字,後者是重力透鏡效應最著名的例證—當光經過重力場附近,光線會像通過透鏡一樣發生彎曲,當我們按照光沿直線傳播的理論(視路徑)尋找目標天體,則會發現四重影像,對稱分佈在真實路徑中目標天體的四周,與之形成一個十字形景象。這也就說明,儘管暗物質不可見,卻可以透過影像可見物體,而被探測到。

人類即將衝破「黑暗時代」?

從猜想到觀測證實,暗物質的面紗已「昭然若揭」,它充斥在宇宙空間裏的各個地方,佔比為整個宇宙95%的空間,甚至科學界已經透過微波背景輻射(Cosmos Microwave Background)精確測量出了暗物質在宇宙中的總質量,比起我們可見的、由原子構成的物質,暗物質的總質量是其5倍以上,且它的能量源可能一直在加速宇宙的膨脹。這一「重量級」的發現,無疑在20世紀末打破人類對宇宙的認知邊界。

但證得「存在」之後,科學界面臨的卻是一段更漫長而艱難的解謎之路—暗物質是由什麼構成的?它包含一類新型粒子嗎?如果包含,那麼其性質又是什麼?除了引力之外,暗物質還有任何其他相互作用嗎?它又將如何擾動宇宙的規律?從這些角度來看,人類可以說對暗物質是一無所知,甚至有物理學家開玩笑說「人類居住在一個黑暗時代」,而當下,「衝破黑暗」則逐漸成為世界性的探索課題。

本文來源:《多維TW》月刊026期