如果您喜欢观星，您可能看过壮丽的星系，并赞叹这些由千亿个恒星组成的雄伟结构（图一）。太阳是我们的家乡星系银河系中的典型恒星，而银河系亦是宇宙中的典型星系。星系组合成星系团，形成更大的结构（图二）。星系内除了恒星，还有什么物质？星系和星系团是如何形成的？这些结构是如何从早期宇宙中几乎完全均匀的物质分布中出现的？这些只是科学家想要解答的问题的一部份。事实证明，一种称为暗物质的神秘物质在所有这些问题中都有著关键角色。

图一 风车星系，一个像银河系般拥有数千亿颗恒星的系统。
Credit: NASA/STScI.

图二 后发座星系团，由数千个星系组成的典型及较近的星系团。
Credit: NASA/STScI.

在 1930 年代，天文学家兹威基（Zwicky）和 史密斯（Smith）测量后发座星系团和室女座星系团的质量。他们的方法是这样的：星系团的质量与其对星系的重力成正比，而星系绕着星系团运行的速度则与其感受的重力直接相关。经过仔细测量了星系的速度之后，兹威基和史密斯惊讶地发现，这两个星系团的质量应该比可见物质（恒星和气体）大得多。换句话说，星系团内一定有很多「暗物质」（“Dunkle Materie” ）--不发光但衍生重力的物质。应用同样的想法，维拉鲁宾（Vera Rubin）测量了星系的旋转曲线——恒星和气体在离星系中心不同距离的轨道速度（图 三）。她发现大多数星系的自转曲线即使在距离中心很远的地方也不会下降。这表明在几乎没有可见物质存在的星系外围，重力仍然不会减弱，显示星系中可见物质藏在一个大很多的暗物质晕（dark matter halo）中。例如，银河系的暗物质晕至少延伸到其发光盘半径的 4-5 倍，其质量是可见物质的 5-10 倍。

图三 M33星系的旋转曲线。测得的恒星及气体轨道速度（黄色和蓝色数据点）继续上升，即使远离了大部分可见物质所在的发光圆盘。这表明暗物质至少延伸到发光圆盘半径的 4 倍，组成暗物质晕。
Credit: Mario De Leo. CC BY-SA 4.0.

近年来，许多独立的观测证实了宇宙中暗物质的存在。例子包括星系或星系团碰撞。由于相邻星系之间的距离通常只有它们大小的几倍，因此许多星系会相互碰撞（图四）。天文学家发现，在许多此类事件中，星系物质被拉出形成长长的潮汐尾，这反映了暗物质晕的存在。图五是著名的子弹星团，相信是在两个星系团相互碰撞后形成的。可见物质（图中红色区域，主要是热气体）因碰撞摩擦而减速及变得非常热，以致放射大量 X 射线，被钱德拉 X 射线望远镜检测到了。另一方面，暗物质差不多没有相互作用，自由穿越物质，而不被拖慢。利用重力透镜效应（重力使光线弯曲）， 天文学家可以侦测出大部分质量的位置（图中蓝色区域），从而揭示暗物质的所在。子弹星团中暗物质与可见物质的分离，表明暗物质只有微弱的相互作用，与正常的可见物质完全不同。

图四 碰撞星系的例子。在许多情况下，星系被拉出长长的潮汐尾，表明暗物质晕的存在。
Credit: NASA, ESA, the Hubble Heritage (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration, and A. Evans (University of Virginia, Charlottesville/NRAO/Stony Brook University).

图五 相信是在一个星系团穿过另一个星系团之后形成的子弹星系团。红色区域是可见物质，这些物质变得非常热，以致发射出钱德拉望远镜探测到的 X 射线。蓝色区域表示重力透镜揭示的大部分质量。两个星系团之间的碰撞将可见物质和暗物质分开。
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.

通过许多独立的观测，科学家们现在知道，宇宙的物质成分主要是暗物质，这是一种未知的物质，它有着重力和可能有弱作用力，但不会发生电磁或强作用。因此我们是看不见暗物质的，但它们提供足够强的重力，以形成宇宙大尺度的物质结构（图六）。如果没有暗物质，我们今天就不会有那么多星系和星系团。然而，我们对暗物质知之甚少。平均而言，暗物质与普通物质的比例约为 6 比 1。所以即使我们了解所有的原子和电子，也只是宇宙中物质的一小部分。这既令人谦卑又令人兴奋——我们是如此的无知，还有那么多的东西等著我们去发现！了解暗物质的本质是当今天体物理学、宇宙学和粒子物理学中最重要的待解问题之一。

图六 星系是宇宙中的可见物质部分（左、中）。这些结构形成于暗物质晕中，而后者连结成看不见的宇宙网（右）。

暗物质与正常物质的相互作用极其微弱；它不发光，光线穿过暗物质而不会被散射或吸收。因此，即使周围应该有很多暗物质，直接探测和研究暗物质也非常困虽。世界各地有不少研究组在建造隐藏在地下的大型探测器，以直接探测暗物质，希望在极稀有情况下，暗物质粒子与探测器中的正常物质进行散射。虽然如 Xenon1T 的一些实验已经看到了一些有趣的可能信号，但尚未有确认的测量。其他研究组试图使用世界上最高能量的粒子加速器 ，在欧洲核子组织（CERN）的大型强子对撞机（LHC）在高能质子-质子碰撞中产生暗物质。然而，大型强子对撞机的探测器并非设计用于直接探测暗物质。物理学家只能通过丢失的能量和动量来记录暗物质产生的可能事件，因为暗物质会带着能量和动量逃离探测器（图七）。到目前为止，直接探测和产生实验已经对暗物质的质量和相互作用概率等特性得到了越来越多的规限。尽管如此，人们还没有看到暗物质。

图七 丢失动量/能量的 ATLAS 探测器事件（左：横截面图, 右： 侧面图）。光子的动量（黄线）与可能由探测不到的暗物质粒子携带的动量（红色虚线）平衡。

我和我的学生也一直在努力研究暗物质的本质。连看也看不到的东西，如何研究？我们的想法是利用正常物质——恒星、星系等——作为自然界的暗物质探测器。

在标准的天文学教科书中，对恒星的结构及其演化有详尽描述，但一般忽略了暗物质。如果一些暗物质混入恒星会有什么影响？我们可以计算混合不同种类和数量的暗物质的恒星是如何演化。特别是，许多恒星以致密星的形式死亡——白矮星、中子星和黑洞，它们有大约一个太阳的质量却挤压在半径分别为几千、几十和几公里的球体，达到了非凡的密度和重力强度。银河系中有很多这些有趣的天体。例如，天狼星是夜空中最亮的恒星（图八），它的伴星天狼星 B 是白矮星，质量与太阳相当，但大小与地球相若。我们发现，如果暗物质由重粒子（和质子相若或更重）组成，即使只有百分之三太阳质量的暗物质混入白矮星中，它就会从地球大小缩小到像月球般大！

根据钱德拉塞卡青少年时期做的计算，白矮星的最大质量为 1.4 个太阳质量。达到这个钱德拉塞卡极限的白矮星会变得不稳定并爆炸，成为 IA 型超新星 (SNIA)。超新星是宇宙中最猛烈的爆炸之一。 SNIA 的亮度在几天内迅速变化，称为光变曲线。既然所有 SNIA 都从相同的初始条件开始（即达到 1.4 个太阳质量的白矮星），它们的光变曲线被认为是标准及普遍的。我们发现，混合小量重暗物质会显著降低白矮星的钱德拉塞卡极限，形成的SNIA 会暗得多。我们的模型与观察到的一些特殊 SNIA 的光变曲线亦颇吻合（图九）。

图八 天狼星及其伴星。
By NASA, ESA, H. Bond (STScI), and M. Barstow (University of Leicester).

图九 与 7 颗IA型超新星观测数据相比的理论光变曲线，计算中混合了 0（黑线）、1（红线）、2（绿线）、3（蓝线）和 3.2%（紫线）太阳质量的重暗物质

理论上，如果白矮星中的原子核足够快地捕获电子，它们也可以通过重力坍缩形成中子星。天文学家仍未确认观察到这种称为吸积诱导塌陷（AIC）的事件。我们研究了暗物质混合白矮星如何影响 AIC，并使用模拟预测了此类事件的引力波和中微子信号，以便在未来的观测中为识别混合或不混合暗物质的 AIC 提供建议。

暗物质提供了形成宇宙大尺度结构的重力。结构演化的大规模模拟已经证明了 模型的大尺度结构与观测非常吻合（图十）。在 模型中暗物质是稳定 及「冷」（即速度离散很小）的。然而，近年来，该模型与小尺度结构的观测出现差异。因此，许多物理学家现正寻找替代的暗物质模型。

图十 观测到的宇宙大尺度物质分布与基于 模型的模拟结果对比。

我们进行了大规模模拟，以研究暗物质性质如何影响宇宙的结构演化。我们使用不同的暗物质模型（包括 、衰变暗物质（DDM）和模糊暗物质（FDM）模型），以模拟暗物质晕的形成方式及其结构。然后，我们可以将我们的理论结果与观测结果进行比较，以检验暗物质模型（图 11）。

图十一 物质密度分布演化在冷、衰变、及暖暗物质模型的比较。红移z表示时间，z = 0 是今天，z = 4 是早期宇宙。

在不久将来，暗物质研究将会有很多突破，而这些突破亦可能会带来更多新的谜团。我们仍只是在人类寻求了解宇宙中的物质和结构的起始吧。

所以下次你欣赏星空时，请记住，你能看到的只是冰山一角。还有更多更多待我们去发现呢！

作者:
香港中文大學物理系朱明中教授

2022年3月