北京時(shí)間4月14日消息，一直以來(lái)，物理學(xué)家們都希望了解暗物質(zhì)的本質(zhì)，這種神秘物質(zhì)幾乎占據(jù)了宇宙的1/4，但我們對(duì)于它們的本質(zhì)卻依舊幾乎一無(wú)所知。那究竟是什么?有一種觀點(diǎn)認(rèn)為，暗物質(zhì)實(shí)際上是由大量微小而“模糊”的小粒子組成的，其行為就像一個(gè)巨大的單一“粒子”。這是什么意思?后面再做解釋。

但不管如何，科學(xué)家們遇到了挫折：他們搜尋這種“模糊”超輕粒子的努力沒(méi)能成功。根據(jù)今年2月28日發(fā)表在《宇宙學(xué)與天體粒子物理學(xué)》雜志上的最新研究論文，最新開(kāi)展的搜尋工作最終是空手而歸。

這樣的結(jié)果顯示，如果暗物質(zhì)果真是由這類(lèi)微小粒子組成的，那么它們的蹤跡一定要比我們想象的更加詭秘難測(cè)，幾乎不與常規(guī)物質(zhì)之間發(fā)生任何相互作用。

黑暗核心

暗物質(zhì)是宇宙中最大的未解之謎之一。這種神秘物質(zhì)不會(huì)與光發(fā)生相互作用，但卻可以對(duì)周?chē)镔|(zhì)施加引力影響。在整個(gè)宇宙的物質(zhì)與能量組成中，暗物質(zhì)大約占據(jù)了1/4，科學(xué)家們目前還沒(méi)有找到組成暗物質(zhì)的粒子，甚至還完全沒(méi)有弄清它究竟是由什么組成的。

很多科學(xué)家懷疑，暗物質(zhì)是由一種被稱(chēng)作“弱交互作用大質(zhì)量粒子”(WIMPs)的粒子所組成的。但這一理論存在幾個(gè)明顯的缺陷。舉例來(lái)說(shuō)，按照這一理論給出的描述，WIMPs粒子的存在應(yīng)該會(huì)在宇宙大尺度星系結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生某種微觀結(jié)構(gòu)，但迄今為止的天文學(xué)觀測(cè)還尚未對(duì)此給出證實(shí)。因此，天文學(xué)家們開(kāi)始嘗試往另一個(gè)方向進(jìn)行搜尋，那就是我們前面提到的“超輕質(zhì)粒子”。

盡管關(guān)于暗物質(zhì)的本質(zhì)，目前有很多不同的理論，但其中沒(méi)有任何一種理論是得到了足夠多的證據(jù)支持因而是無(wú)可辯駁的。正如本次這項(xiàng)研究論文的合著者之一，俄羅斯科學(xué)院核子研究所的專(zhuān)家謝爾蓋·特洛茨基(Sergey Troitsky)所指出的那樣，在這種情況下，科學(xué)家們不得不對(duì)所有理論逐個(gè)進(jìn)行考察并進(jìn)行排除。

一些關(guān)于超輕質(zhì)粒子的學(xué)說(shuō)認(rèn)為這類(lèi)“模糊”的輕質(zhì)粒子的質(zhì)量大約要比電子輕10的28次方倍。而之所以會(huì)用“模糊”來(lái)形容它們，是因?yàn)槠錁O小的質(zhì)量意味著其性質(zhì)和行為會(huì)和波非常相似，界限極為模糊。而這項(xiàng)最新研究嘗試了一種從活動(dòng)星系的光線中搜尋此類(lèi)粒子存在的方法，不過(guò)正如文章開(kāi)頭所言，科學(xué)家們這一次沒(méi)能成功。

由于暗物質(zhì)占據(jù)了宇宙的很大一部分，如果其真的是由這種超輕質(zhì)粒子組成的，那么這種粒子的數(shù)量一定特別多才行。事實(shí)上科學(xué)家們認(rèn)為這類(lèi)粒子的數(shù)量可以多到什么程度：它們將處于一種獨(dú)特的狀態(tài)之下，就類(lèi)似一種場(chǎng)，或者玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)——后者是指粒子在極端低溫下通常會(huì)表現(xiàn)出來(lái)的一種特殊狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，大量粒子將凝聚到一起，呈現(xiàn)出某種類(lèi)似液體的行為。此時(shí)，原本無(wú)數(shù)的粒子，其行為卻具備了整體性，就像一個(gè)單一的整體，或者被視作一個(gè)單一粒子。

因此，或許暗物質(zhì)的單個(gè)粒子的確不會(huì)與光發(fā)生相互作用，這也是為何科學(xué)家們?nèi)绱丝嗫鄬ひ挾y見(jiàn)其蹤影的原因之一，但在宏觀尺度上，這種“場(chǎng)”會(huì)在電磁波偏振方面產(chǎn)生影響。隨著場(chǎng)的密度發(fā)生周期性震蕩，當(dāng)光線在宇宙空間中傳播的時(shí)候，其偏振效應(yīng)會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)變化。

理論上說(shuō)，光線只要傳播距離超過(guò)325光年左右，這種偏振效應(yīng)改變就會(huì)達(dá)到可以被觀測(cè)到的地步。而這種場(chǎng)的震蕩效應(yīng)直接取決于超輕質(zhì)暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量。因此，理論上說(shuō)，只要對(duì)這種效應(yīng)進(jìn)行觀察，科學(xué)家們便可以得到暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量數(shù)值。

為了搜尋這種由于超輕質(zhì)暗物質(zhì)粒子場(chǎng)產(chǎn)生的光線偏振效應(yīng)，天文學(xué)家們查閱了由甚長(zhǎng)基線干涉陣列(VLBA)的歷史存檔數(shù)據(jù)。這是一套位于美國(guó)新墨西哥州境內(nèi)的射電望遠(yuǎn)鏡陣列，由10臺(tái)口徑25米的射電望遠(yuǎn)鏡組成。天文學(xué)家們將注意力集中在從大約30個(gè)星系核心發(fā)出的光線上，這些星系核心無(wú)一例外都在向外噴射巨量的物質(zhì)，產(chǎn)生的噴流長(zhǎng)度可以達(dá)到數(shù)百光年。來(lái)自這些星系核心的光線都顯示顯著的偏振，并且此前就已經(jīng)被詳細(xì)研究過(guò)，因此關(guān)于這些光線長(zhǎng)期時(shí)間尺度上的偏振數(shù)據(jù)是現(xiàn)成的，可以直接獲得。

謝爾蓋·特洛茨基表示：“我們常常利用已經(jīng)出版的論文，或者可以公開(kāi)獲得的數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，來(lái)對(duì)一些基本粒子的性質(zhì)進(jìn)行約束。但這一次我們聯(lián)絡(luò)了我們的射電天文學(xué)同行，他們對(duì)歷史存檔數(shù)據(jù)進(jìn)行了重新挖掘，根據(jù)我們的目的重新進(jìn)行了梳理和分析。”

通過(guò)對(duì)過(guò)去20年間歷史數(shù)據(jù)的分析，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了多種偏振現(xiàn)象，但遺憾的是沒(méi)有一種符合他們先前從理論上預(yù)測(cè)的模式?；顒?dòng)星系核常常會(huì)產(chǎn)生不規(guī)則的脈動(dòng)效應(yīng)。但超輕質(zhì)暗物質(zhì)粒子產(chǎn)生的震蕩則是規(guī)則性的。

最終，科學(xué)家們并未找到與超輕質(zhì)暗物質(zhì)粒子存在的相關(guān)線索，至少那種可以解釋大尺度上星系結(jié)構(gòu)缺失的輕質(zhì)粒子，在本次搜尋工作中未能發(fā)現(xiàn)。但需要說(shuō)明的是，這樣的結(jié)果并不能說(shuō)明這種粒子就絕對(duì)不存在。

謝爾蓋·特洛茨基表示：“除了引力之外，無(wú)法保證構(gòu)成暗物質(zhì)的粒子與可見(jiàn)世界之間存在任何形式上的相互作用。要想找到這種具備一定質(zhì)量，但除此之外沒(méi)有任何相互作用的粒子將是非常困難的，盡管這似乎是解釋暗物質(zhì)存在的最簡(jiǎn)單模型。”

盡管這項(xiàng)研究似乎會(huì)讓傳統(tǒng)超輕質(zhì)暗物質(zhì)粒子模型顯得有些風(fēng)雨飄搖，但研究人員目前還不打算將其放棄。

以色列特拉維夫大學(xué)天文學(xué)家雷納·巴卡納(Rennan Barkana)表示：“關(guān)于暗物質(zhì)，我們唯一確定的是它一定不是由現(xiàn)代物理學(xué)中已知的某種粒子所組成的。因此，在我們獲得自然界暗物質(zhì)的確鑿觀測(cè)證據(jù)之前，我們都必須小心面對(duì)任何的猜想或猜測(cè)，保持一個(gè)開(kāi)放的頭腦。”

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