北京時間4月14日消息，一直以來，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，但我們對于它們的本質(zhì)卻依舊幾乎一無所知。那究竟是什么?有一種觀點認(rèn)為，暗物質(zhì)實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，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)不會與光發(fā)生相互作用，但卻可以對周圍物質(zhì)施加引力影響。在整個宇宙的物質(zhì)與能量組成中，暗物質(zhì)大約占據(jù)了1/4，科學(xué)家們目前還沒有找到組成暗物質(zhì)的粒子，甚至還完全沒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明顯的缺陷。舉例來說，按照這一理論給出的描述，WIMPs粒子的存在應(yīng)該會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)觀測還尚未對此給出證實。因此，天文學(xué)家們開始嘗試往另一個方向進(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，但其中沒有任何一種理論是得到了足夠多的證據(jù)支持因而是無可辯駁的。正如本次這項研究論文的合著者之一，俄羅斯科學(xué)院核子研究所的專家謝爾蓋·特洛茨基(Sergey Troitsky)所指出的那樣，在這種情況下，科學(xué)家們不得不對所有理論逐個進(jìn)行考察并進(jìn)行排除。
一些關(guān)于超輕質(zhì)粒子的學(xué)說認(rèn)為這類“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。而之所以會用“模糊”來形容它們，是因為其極小的質(zhì)量意味著其性質(zhì)和行為會和波非常相似，界限極為模糊。而這項最新研究嘗試了一種從活動星系的光線中搜尋此類粒子存在的方法，不過正如文章開頭所言，科學(xué)家們這一次沒能成功。
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。事實上科學(xué)家們認(rèn)為這類粒子的數(shù)量可以多到什么程度：它們將處于一種獨特的狀態(tài)之下，就類似一種場，或者玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)——后者是指粒子在極端低溫下通常會表現(xiàn)出來的一種特殊狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，大量粒子將凝聚到一起，呈現(xiàn)出某種類似液體的行為。此時，原本無數(shù)的粒子，其行為卻具備了整體性，就像一個單一的整體，或者被視作一個單一粒子。
因此，或許暗物質(zhì)的單個粒子的確不會與光發(fā)生相互作用，這也是為何科學(xué)家們?nèi)绱丝嗫鄬ひ挾y見其蹤影的原因之一，但在宏觀尺度上，這種“場”會在電磁波偏振方面產(chǎn)生影響。隨著場的密度發(fā)生周期性震蕩，當(dāng)光線在宇宙空間中傳播的時候，其偏振效應(yīng)會出現(xiàn)相應(yīng)變化。
理論上說，光線只要傳播距離超過325光年左右，這種偏振效應(yīng)改變就會達(dá)到可以被觀測到的地步。而這種場的震蕩效應(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，只要對這種效應(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)粒子場產(chǎn)生的光線偏振效應(yīng)，天文學(xué)家們查閱了由甚長基線干涉陣列(VLBA)的歷史存檔數(shù)據(jù)。這是一套位于美國新墨西哥州境內(nèi)的射電望遠(yuǎn)鏡陣列，由10臺口徑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個星系核心發(fā)出的光線上，這些星系核心無一例外都在向外噴射巨量的物質(zhì)，產(chǎn)生的噴流長度可以達(dá)到數(shù)百光年。來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，因此關(guān)于這些光線長期時間尺度上的偏振數(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，或者可以公開獲得的數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，來對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。”
通過對過去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，但遺憾的是沒有一種符合他們先前從理論上預(yù)測的模式。活動星系核常常會產(chǎn)生不規(guī)則的脈動效應(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)。但需要說明的是，這樣的結(jié)果并不能說明這種粒子就絕對不存在。
謝爾蓋·特洛茨基表示：“除了引力之外，無法保證構(gòu)成暗物質(zhì)的粒子與可見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)存在的最簡單模型。”
盡管這項研究似乎會讓傳統(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)的確鑿觀測證據(jù)之前，我們都必須小心面對任何的猜想或猜測，保持一個開放的頭腦。”
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