如果您喜歡觀星，您可能看過壯麗的星系，並讚嘆這些由千億個恆星組成的雄偉結構（圖一）。太陽是我們的家鄉星系銀河系中的典型恆星，而銀河系亦是宇宙中的典型星系。星系組合成星系團，形成更大的結構（圖二）。星系內除了恆星，還有什麼物質？星系和星系團是如何形成的？這些結構是如何從早期宇宙中幾乎完全均勻的物質分佈中出現的？這些只是科學家想要解答的問題的一部份。事實證明，一種稱為暗物質的神秘物質在所有這些問題中都有著關鍵角色。

圖一 風車星系，一個像銀河系般擁有數千億顆恆星的系統。
Credit: NASA/STScI.

圖二 后髮座星系團，由數千個星系組成的典型及較近的星系團。
Credit: NASA/STScI.

在 1930 年代，天文學家茲威基（Zwicky）和 史密斯（Smith）測量后髮座星系團和室女座星系團的質量。他們的方法是這樣的：星系團的質量與其對星系的重力成正比，而星系繞着星系團運行的速度則與其感受的重力直接相關。經過仔細測量了星系的速度之後，茲威基和史密斯驚訝地發現，這兩個星系團的質量應該比可見物質（恆星和氣體）大得多。換句話說，星系團內一定有很多「暗物質」（“Dunkle Materie” ）--不發光但衍生重力的物質。應用同樣的想法，維拉魯賓（Vera Rubin）測量了星系的旋轉曲線——恆星和氣體在離星系中心不同距離的軌道速度（圖 三）。她發現大多數星系的自轉曲線即使在距離中心很遠的地方也不會下降。這表明在幾乎沒有可見物質存在的星系外圍，重力仍然不會減弱，顯示星系中可見物質藏在一個大很多的暗物質暈（dark matter halo）中。例如，銀河系的暗物質暈至少延伸到其發光盤半徑的 4-5 倍，其質量是可見物質的 5-10 倍。

圖三 M33星系的旋轉曲線。測得的恆星及氣體軌道速度（黃色和藍色數據點）繼續上升，即使遠離了大部分可見物質所在的發光圓盤。這表明暗物質至少延伸到發光圓盤半徑的 4 倍，組成暗物質暈。
Credit: Mario De Leo. CC BY-SA 4.0.

近年來，許多獨立的觀測證實了宇宙中暗物質的存在。例子包括星系或星系團碰撞。由於相鄰星系之間的距離通常只有它們大小的幾倍，因此許多星系會相互碰撞（圖四）。天文學家發現，在許多此類事件中，星系物質被拉出形成長長的潮汐尾，這反映了暗物質暈的存在。圖五是著名的子彈星團，相信是在兩個星系團相互碰撞後形成的。可見物質（圖中紅色區域，主要是熱氣體）因碰撞摩擦而減速及變得非常熱，以致放射大量 X 射線，被錢德拉 X 射線望遠鏡檢測到了。另一方面，暗物質差不多沒有相互作用，自由穿越物質，而不被拖慢。利用重力透鏡效應（重力使光線彎曲）， 天文學家可以偵測出大部分質量的位置（圖中藍色區域），從而揭示暗物質的所在。子彈星團中暗物質與可見物質的分離，表明暗物質只有微弱的相互作用，與正常的可見物質完全不同。

圖四 碰撞星系的例子。在許多情況下，星系被拉出長長的潮汐尾，表明暗物質暈的存在。
Credit: NASA, ESA, the Hubble Heritage (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration, and A. Evans (University of Virginia, Charlottesville/NRAO/Stony Brook University).

圖五 相信是在一個星系團穿過另一個星系團之後形成的子彈星系團。紅色區域是可見物質，這些物質變得非常熱，以致發射出錢德拉望遠鏡探測到的 X 射線。藍色區域表示重力透鏡揭示的大部分質量。兩個星系團之間的碰撞將可見物質和暗物質分開。
Credit: X-ray: NASA/CXC/M.Markevitch et al.; Optical: NASA/STScI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.; Lensing Map: NASA/STScI; ESO WFI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.

通過許多獨立的觀測，科學家們現在知道，宇宙的物質成分主要是暗物質，這是一種未知的物質，它有着重力和可能有弱作用力，但不會發生電磁或強作用。因此我們是看不見暗物質的，但它們提供足夠強的重力，以形成宇宙大尺度的物質結構（圖六）。如果沒有暗物質，我們今天就不會有那麽多星系和星系團。然而，我們對暗物質知之甚少。平均而言，暗物質與普通物質的比例約為 6 比 1。所以即使我們了解所有的原子和電子，也只是宇宙中物質的一小部分。這既令人謙卑又令人興奮——我們是如此的無知，還有那麽多的東西等著我們去發現！了解暗物質的本質是當今天體物理學、宇宙學和粒子物理學中最重要的待解問題之一。

圖六 星系是宇宙中的可見物質部分（左、中）。這些結構形成於暗物質暈中，而後者連結成看不見的宇宙網（右）。

暗物質與正常物質的相互作用極其微弱；它不發光，光線穿過暗物質而不會被散射或吸收。因此，即使周圍應該有很多暗物質，直接探測和研究暗物質也非常困雖。世界各地有不少研究組在建造隱藏在地下的大型探測器，以直接探測暗物質，希望在極稀有情況下，暗物質粒子與探測器中的正常物質進行散射。雖然如 Xenon1T 的一些實驗已經看到了一些有趣的可能信號，但尚未有確認的測量。其他研究組試圖使用世界上最高能量的粒子加速器 ，在歐洲核子组織（CERN）的大型強子對撞機（LHC）在高能質子-質子碰撞中產生暗物質。然而，大型強子對撞機的探測器並非設計用於直接探測暗物質。物理學家只能通過丟失的能量和動量來記錄暗物質產生的可能事件，因為暗物質會帶着能量和動量逃離探測器（圖七）。到目前為止，直接探測和產生實驗已經對暗物質的質量和相互作用概率等特性得到了越來越多的規限。儘管如此，人們還沒有看到暗物質。

圖七 丟失動量/能量的 ATLAS 探測器事件（左：橫截面圖, 右： 側面圖）。光子的動量（黃線）與可能由探測不到的暗物質粒子攜帶的動量（紅色虛線）平衡。

我和我的學生也一直在努力研究暗物質的本質。連看也看不到的東西，如何研究？我們的想法是利用正常物質——恆星、星系等——作為自然界的暗物質探測器。

在標準的天文學教科書中，對恆星的結構及其演化有詳盡描述，但一般忽略了暗物質。如果一些暗物質混入恆星會有什麼影響？我們可以計算混合不同種類和數量的暗物質的恆星是如何演化。特別是，許多恆星以致密星的形式死亡——白矮星、中子星和黑洞，它們有大約一個太陽的質量卻擠壓在半徑分別為幾千、幾十和幾公里的球體，達到了非凡的密度和重力強度。銀河系中有很多這些有趣的天體。例如，天狼星是夜空中最亮的恆星（圖八），它的伴星天狼星 B 是白矮星，質量與太陽相當，但大小與地球相若。我們發現，如果暗物質由重粒子（和質子相若或更重）組成，即使只有百分之三太陽質量的暗物質混入白矮星中，它就會從地球大小縮小到像月球般大！

根據錢德拉塞卡青少年時期做的計算，白矮星的最大質量為 1.4 個太陽質量。達到這個錢德拉塞卡極限的白矮星會變得不穩定並爆炸，成為 IA 型超新星 (SNIA)。超新星是宇宙中最猛烈的爆炸之一。 SNIA 的亮度在幾天內迅速變化，稱為光變曲線。既然所有 SNIA 都從相同的初始條件開始（即達到 1.4 個太陽質量的白矮星），它們的光變曲線被認為是標準及普遍的。我們發現，混合小量重暗物質會顯著降低白矮星的錢德拉塞卡極限，形成的SNIA 會暗得多。我們的模型與觀察到的一些特殊 SNIA 的光變曲線亦頗吻合（圖九）。

圖八 天狼星及其伴星。
By NASA, ESA, H. Bond (STScI), and M. Barstow (University of Leicester).

圖九 與 7 顆IA型超新星觀測數據相比的理論光變曲線，計算中混合了 0（黑線）、1（紅線）、2（綠線）、3（藍線）和 3.2%（紫線）太陽質量的重暗物質

理論上，如果白矮星中的原子核足夠快地捕獲電子，它們也可以通過重力坍縮形成中子星。天文學家仍未確認觀察到這種稱為吸積誘導塌陷（AIC）的事件。我們研究了暗物質混合白矮星如何影響 AIC，並使用模擬預測了此類事件的引力波和中微子信號，以便在未來的觀測中為識別混合或不混合暗物質的 AIC 提供建議。

暗物質提供了形成宇宙大尺度結構的重力。結構演化的大規模模擬已經證明了 模型的大尺度結構與觀測非常吻合（圖十）。在 模型中暗物質是穩定 及「冷」（即速度離散很小）的。然而，近年來，該模型與小尺度結構的觀測出現差異。因此，許多物理學家現正尋找替代的暗物質模型。

圖十 觀測到的宇宙大尺度物質分佈與基於 模型的模擬結果對比。

我們進行了大規模模擬，以研究暗物質性質如何影響宇宙的結構演化。我們使用不同的暗物質模型（包括 、衰變暗物質（DDM）和模糊暗物質（FDM）模型），以模擬暗物質暈的形成方式及其結構。然後，我們可以將我們的理論結果與觀測結果進行比較，以檢驗暗物質模型（圖 11）。

圖十一 物質密度分佈演化在冷、衰變、及暖暗物質模型的比較。紅移z表示時間，z = 0 是今天，z = 4 是早期宇宙。

在不久將來，暗物質研究將會有很多突破，而這些突破亦可能會帶來更多新的謎團。我們仍只是在人類尋求了解宇宙中的物質和結構的起始吧。

所以下次你欣賞星空時，請記住，你能看到的只是冰山一角。還有更多更多待我們去發現呢！

作者:
香港中文大學物理系朱明中教授

2022年3月