黑暗的终结：真正主宰宇宙的物质
Andrew Pontzen　文　Shea　编译
	暗物质是理论上支配着我们银河系的巨人，但它似乎已经遇到了它的终结者。 你会发现，如果没人称​​卡洛斯·弗伦克（Carlos Frenk）是个疯子，他会很高兴。但过去他并不总是那么幸运。 “我在会议上站起身，几乎每个人都会朝我我扔烂番茄，”他说。 他的罪行是倡导当时具有争议的一个观点——宇宙的绝大部分物质是温度低、质量大且看不见的“暗物质”。而在今天，这个观点才是正统。标准的说法是，无论暗物质在哪个地方集结，普通物质都会在其蛮横的引力作用下不可抗拒地被吸引过去。这些物质形成了恒星，随后星系诞生——它们所发出的微光从此刺穿了专横的黑暗帝国。 但这些言之凿凿的说法却是弗伦克现在所担心的。“我突然意识到，年轻的科学家们想当然地接受了暗物质，这绝对是触目惊心的，”他说。你会明白他的观点。设计来探测暗物质的实验迄今都一无所获。对穿过地球的暗物质粒子流的搜索只给出了混乱且矛盾的结果。描述暗物质是如何塑造可见宇宙的模型则夹在了胜利确证和深不可测的矛盾之间。 作为一个年轻的理论宇宙学家，我自己也是暗物质的信徒。在我的脑海里，宇宙中有太多我们还无法解释的东西。但可能也有一条走出这一最糟糕困境的出路。暗物质确实存在；我们只需要重新思考这个想法，它拥有掌控着我们这个星光灿烂的宇宙的所有力量。 大约十年前，我本科的物理老师偶然间告诉我，宇宙中有六分之五的物质是不可见的。暗物质最初是用来解释20世纪30年代的天文观测，当时发现星系团中的星系运动得太快了，其中的普通物质无法束缚住它们。在20世纪70年代，它又被用来解释为什么星系本身旋转得太快，就好像有一个额外的引力。即便如此，我记得我当时在想，它兴许还能神奇地解释宇宙。 但经验让我成为了一个真正的信徒。星系和其他大质量天体弯曲光线的方式表明，宇宙中的物质要比我们眼睛能看到的更多。宇宙微波背景辐射——宇宙大爆炸的余辉——中的模式揭示出早期宇宙的物质处于引力收缩和膨胀压强间的微妙平衡之下，其方式与暗物质理论相符得很好。在我自己的星系形成研究中，为了再现布满整个宇宙的星系网，正如弗伦克和其他人要求的那样，我需要暗物质：几乎不运动的大量低温物质。 [图片来源]：版权：Andy Martin。 WIMP出局 令人欣慰的是，粒子物理学为暗物质提供了现成的配方。超对称理论是超越我们目前描述粒子及其相互作用的“标准模型”的一个受青睐的方案。它为现实建立了一个数学镜像，认为迄今发现的每一个粒子都具有一个普遍较重的伙伴粒子。这些超伙伴粒子中的一些是弱相互作用大质量粒子（WIMP）。它们具有质量（因此可以产生并回应引力），但不与光发生相互作用（所以无法被看到）。在大爆炸中创生的WIMP的数量与由宇宙学观测得出的暗物质密度精确吻合——一个令人愉快的结合，有时被称为WIMP奇迹。 但奇迹真的发生了吗？没有实验产生出了超对称粒子，即便是欧洲核子研究中心的大型强子对撞机迄今也没有看到它们的蛛丝马迹。最简单的超对称理论已经被排除，更复杂的超对称理论的命运则要留到大概2015年大型强子对撞机在更高的能量上重启之时。“在那之后，如果在大约一年内他们还没有找到超对称粒子的话，我认为这个理论就会寿终正寝，”英国剑桥大学的粒子理论家本·阿伦纳齐（Ben Allanach）说，“我会转为开始研究其他理论，我想了许多其他人也有同感。” 这并不是唯一的困难。寻找穿行于宇宙空间里的WIMP的繁琐实验正在给出高度混乱的结果。位于意大利中部的DAMA实验已经看到了一个具有周年变化的信号。如果地球因绕太阳公转而相对于一个平静的冷暗物质海在运动，这正是我们所期望看到的——但其他的实验却断然给出了与之相矛盾的结果。诸如PAMELA卫星和国际空间站上的阿尔法磁谱仪（AMS）这样的空间任务则已经探测到了当两个WIMP碰撞时可能产生的过量反物质粒子——但它们和我们的预期不符。总体而言，“对暗物质探测的结果存有巨大的争议，因为其他的实验可以排除它们，”弗伦克说。 然而，也许最具毁灭性的打击是，当我们端详基于WIMP的细节时，冷暗物质似乎并不是我们所想象的尽善尽美的星系雕塑家。2012年美国加州大学欧文分校的宇宙学家迈克尔·博伊兰-科尔钦（Michael Boylan-Kolchin）模拟了标准的冷暗物质对矮椭球星系——环绕银河系的迷你卫星星系——形成的影响。通过观察恒星如何在矮椭球星系中运动，博伊兰-科尔钦可以推断出其内部暗物质的含量。“结果说不通：模拟得到的矮椭球星系要比现实中我们所看到的质量更大、密度更高，”他说。 是时候改变我们的暗物质配方了吗？ 温暗物质 菜单上还有其他的选择。如果暗物质是一锅来势汹汹的高温粒子，它们会难以成团，从而形成的星系也会更松散。20世纪80年代，对中微子的测量让一些科学家相信，这些以近光速飞行的古怪粒子的总质量足以解释暗物质。但最终显示这一质量被极大得高估了，而且基于中微子的热暗物质有着和冷暗物质相反的问题：中微子运动得太快无法聚集成相对紧密的类似星系这样的结构。 还有第三个办法。在几年前，弗伦克建立了他的团队来寻找了一个“最佳”的解决方案：暗物质既不太热，又不太冷，恰到好处。让他们吃惊的是，不冷不热的暗物质变体可以产生与观测相符的矮椭球星系——而不破坏宇宙学的其他部分。 这会产生深远的影响。温暗物质粒子的主要候选者是中微子中较重且更难以捉摸的一种——惰性中微子。大型强子对撞机可能会在其粒子碰撞中间接地制造出惰性中微子，但它们的信号太微小不一定会被探测到。我们最有望发现惰性中微子是在普通的中微子自发地转变成它们并在探测器中消失时。 所以，如果温暗物质是解决方案，那类似DAMA这样的实验则找错了地方。“从实验的角度来看，这将是非常悲惨的，因为已经有了巨大的投入，特别是在直接探测WIMP上，”弗伦克说。这也会对理论家们产生影响：温暗物质是脱离了超对称所预言的粒子种类，使得这两个想法都变得相当孱弱。 与此同时，英国爱丁堡大学的豪尔赫·彭纳路比亚（Jorge Peñarrubia）及其同事们一直在探测近距矮椭球星系中暗物质的分布。它们沿着这些星系的径向似乎是均匀地分布的。“这一不变的密度是我们没有想到的，”彭纳路比亚说。使用任何温度的暗物质——冷，热或温，数值模拟给出的矮星系其密度会都在中心处较高。这一理论和观测间的差异也出现了在稍大且更遥远的星系身上。 暗物质中的一些另类可能会有帮助，例如“自相​​互作用”暗物质，这些活跃的粒子会不断地跳来跳去，很难在星系中心安定下来。但我们全然不知在矮星系中需要多少这样的粒子而又不至于在星系团中显得过多。对我来说，这个特别的暗物质配方闻起来有点腥。 因此，我们陷入了僵局。冷暗物质并没有完成我们要求的所有工作——但话又说回来，还没有任何东西能做到这一点。 奇怪的是，我自己预感冷暗物质也许最终是正确。但我们必须付出的代价是不再假设由它来全权掌控星系。恒星会在它们的一生中产生巨大的能量。当它们寿终正寝时，会爆炸成超新星。盘旋着落入黑洞的气体会释放出大量的热。这两者所提供的能量足以令大量的气体在星系中剧烈运动。暗物质也无法对这些巨大的引力骚动免疫：会开始运动。在过去的几年里，我和很多同事已经进行的模拟表明，如果普通的气体受到了足够的扰动，它就会让暗物质陷入真正的动荡，就像一个雪球中的雪花一样转动起来。 暗物质粒子可能仍是冷的、超对称的，但会在大量普通物质的胁迫下而变热。这些增加的能量会阻止原星系密度变得过高，因此银河系矮卫星星系的结构也就能说得通了。剩下的唯一问题是，为什么暗物质直接搜索的结果至今仍然模棱两可。或许最尖端的粒子物理实验实在太难了。 彭纳路比亚认为这一图像具有足够的可信度。“暗物质的重新分布需要巨大的能量，超新星爆炸是唯一可能的来源，”他说。不过，他警告不要认为超新星本身就足够了，尤其在形成密度正确的矮椭球星系问题上。“在这些星系中的恒星数量少限制了超新星所能提供的能量值，”他说。博伊兰-科尔钦也怀疑用超新星爆炸把一切混杂到一起能解决所有的问题。“我个人的感觉是，这些效应无法挽救冷暗物质理论，”他说。 隐藏的信号 当然，我认为他是悲观的——并将向大家指出，尽管非常初步、但却是支持普通物质搅乱暗物质的证据。它来自美国宇航局发射的伽玛射线卫星“费米”，自2008年以来它就一直在寻找暗物质所发出的可见信号。这似乎是徒劳的；因为你看不到的暗物质。不过，冷暗物质理论认为，如果暗物质粒子发生碰撞并湮灭就会释放出能量和一道非常明显的伽玛射线闪光，由此你可以看到暗物质的间接信号。 银河系的矮卫星星系再次成为了搜寻的好地方。它们距离近本身又非常暗淡，这意味着任何来自它们的伽玛射线光子都可能源于暗物质湮灭。根据官方公布的结果，我们还什么都没看到。“底线是到目前为止我们还没有探测到任何信号，”“费米”团队成员、美国俄亥俄州立大学的安德烈·阿尔伯特（Andrea Albert）说。 然而，2012年4月，独立于“费米”之外的、德国马普物理学研究所的克里斯托弗·温尼格尔（Christoph Weniger）提出，费米其实已经看到了暗物质信号——但并非来自矮星系而是来自银河系中心附近。他的研究表明，从这个大致的方向上存在一个显著的伽玛射线超，能量为均一的130十亿电子伏特，它被埋藏在了“费米”卫星公开发布的数据中。 这个信号很弱，其最强的地方并不在银河系的中心——那里是你预想中黑暗物质会积聚的地方，而是偏离中心1度左右。这一偏差滋生了一种怀疑，即这一结果可能是“费米”望远镜校准不当所致。 另一种可能性是，普通物质搅乱了暗物质。这至少是2012年美国加州大学伯克利分校的迈克·科兰（Mike Kuhlen）进行的数值模拟所暗示的结果。“这让我吃惊，但你几乎可以立即看到当在模拟中引入气体和恒星时暗物质的位置所发生的偏离，”他说。 因此，在标准冷暗物质的框架下一切都没问题，只要你考虑了正常物质所产生的影响。别这么着急，弗伦克说。如果是超对称粒子相互湮灭产生了这些伽玛射线，那它们不会都具有一个标准能量，而应该有一个很大的范围：湮灭机制会产生的电子和正电子，它们会在无法预知的爆发中释放出自己的能量。“这一现象绝对是迷人的，但我不认为我们已经观测到它了，”他说。 如果众多寻找暗物质的实验开始给出一致的结果，那事情也许会在瞬间发生改变。但这至少还需要好几年的时间。在此期间，不和谐的声音会不绝于弗伦克的耳朵。“我们不知道冷暗物质是否正确，”他说，“但如果每个人都只是遵从一个想法，那事情就不会取得进展。”
[New Scientist 2013年3月26日]

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