暗物質(zhì)到底有多冷

馮磊

夜幕降臨時，滿天的繁星足以讓人們感嘆宇宙的浩瀚。事實上，你能看到的恒星只是銀河系中的一部分，即便把銀河系外所有星系（哈勃的觀測揭示了宇宙大約存在1000億個星系，但這一估計值可能還會成倍增加）的質(zhì)量都算上，可能還不到宇宙質(zhì)量的5%。天文學(xué)的觀測表明，剩下約95%由看不見的暗物質(zhì)和暗能量組成。

盡管大量的天文觀測證據(jù)表明暗物質(zhì)的存在，但這需要一個前提，或者說假設(shè)，即認為萬有引力定律（或者是推廣萬有引力定律的廣義相對論）和牛頓運動定律在所有情況下均成立。在太陽系內(nèi)現(xiàn)有的引力理論和運動定律都經(jīng)歷了非常嚴格的檢驗。由于在星系以及更大的尺度上，我們還沒有很充分的檢驗（有一些檢驗結(jié)果也都支持廣義相對論），因此并不能想當然地認為這些規(guī)律仍然成立。于是便有人提議修正引力定律或者運動定律來替代暗物質(zhì)。

是確認暗物質(zhì)還是該修正引力

先說修正牛頓動力學(xué)（Modified Newtonian Dynamics，簡稱MOND），由莫德亥·米爾格羅在1983年提出。米爾格羅提出該模型的初衷是為了解釋星系的旋轉(zhuǎn)曲線。米爾格羅指出，如果在加速度很小的時候（比如在星系外圍區(qū)域的恒星所感受到的），牛頓第二定律F=ma逐漸過渡到F=ma2/a0這樣的形式，那么該理論計算出的旋轉(zhuǎn)曲線就與觀測結(jié)果很相符了。MOND理論可以有兩種解釋：其中一種是指修正牛頓動力學(xué)，但這種解釋產(chǎn)生的問題比較大，因為這不僅僅意味著作用于引力相關(guān)的現(xiàn)象，在其他的力，例如電磁力中物體的運動規(guī)律也會發(fā)生變化；另一種等價的解釋方式是在加速度很小的時候，平方反比的萬有引力大小需要做出相應(yīng)的修改，這種解釋便只適用于引力。因此一般人們也將MOND理論歸入修正引力的理論之列。在很長一段時間內(nèi)，MOND理論和暗物質(zhì)模型一起構(gòu)成了解釋旋轉(zhuǎn)曲線的主流模型，直到子彈頭星系團的出現(xiàn)情況才發(fā)生改變。

對子彈頭星系團的觀測基于強引力透鏡效應(yīng)。我們知道，物質(zhì)會彎曲其周圍的時空，光子在彎曲時空中穿梭時的路徑也是彎曲的。物質(zhì)質(zhì)量越大，光線彎曲得越厲害，跟光線穿過凸透鏡時的折射效應(yīng)類似（見圖1）。根據(jù)光偏折角的大小，可以推算出光所穿過區(qū)域的物質(zhì)質(zhì)量。圖3就展示了一個子彈頭星系團的觀測結(jié)果。其中藍色區(qū)域是根據(jù)引力透鏡效應(yīng)重建處的宇宙在該區(qū)域的物質(zhì)分布，紅色區(qū)域是X射線觀測的結(jié)果，代表的是普通熱氣體的分布。從圖3中我們能夠看出，該區(qū)域物質(zhì)集中區(qū)域（藍色區(qū)域）內(nèi)并沒有普通物質(zhì)的存在。這表明該區(qū)域存在大量不發(fā)光的暗物質(zhì)。子彈頭星系團這一始料未及的觀測結(jié)果出來之后，要用修改引力的方法來解釋就非常困難了，甚至可以說無法做到。目前看來，暗物質(zhì)是解釋絕大多數(shù)天文觀測的最好選擇，修改引力的理論往往難以多方兼顧，通常只能解釋個別現(xiàn)象。

此外，暗物質(zhì)模型還有各種修正引力理論不具備的優(yōu)點，它們可以讓星系的形成更容易。我們發(fā)現(xiàn)微波背景時期光子的溫度漲落是平均溫度的十萬分之一，如果只有普通物質(zhì)的話，通過如此小的原初漲落是無法形成今天觀測到的宇宙面貌的。形成今天的星系結(jié)構(gòu)所需的原初漲落至少要千分之一。暗物質(zhì)的存在就可以解釋這一切了。因為暗物質(zhì)相互作用很弱，它們很早就和別的物質(zhì)撇清關(guān)系，獨自演化了。暗物質(zhì)自身的密度漲落很早就開始增長，等到產(chǎn)生微波背景輻射的時期，暗物質(zhì)已經(jīng)形成較顯著的密度漲落了。隨著宇宙的膨脹，宇宙溫度降低。粒子依照相互作用的強弱，依次從平衡狀態(tài)脫離出來，幾乎不再和其他粒子碰撞，變成一種獨自在宇宙中游弋的狀態(tài)，這個過程稱為“退耦”。而普通物質(zhì)退耦后，可以直接掉進暗物質(zhì)密度漲落所形成的引力勢阱里，伴隨暗物質(zhì)一塊演化，最終形成我們現(xiàn)在看到的星系結(jié)構(gòu)?？梢哉f暗物質(zhì)讓普通物質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成搭了便車，沒有暗物質(zhì)，那么很可能就沒有銀河系和太陽系，也便沒有你我。

冷暗物質(zhì)、熱暗物質(zhì)還是溫暗物質(zhì)

暗物質(zhì)按照其退耦時的運動速度來分，可以分為三類：冷暗物質(zhì)、溫暗物質(zhì)和熱暗物質(zhì)，相應(yīng)的速度由慢變快。宇宙的早期就像是一鍋高溫等離子體“湯”，各種粒子處在熱平衡狀態(tài)。退耦時，如果暗物質(zhì)粒子的速度非常慢，遠慢于光速，那么它就是冷暗物質(zhì)。如果暗物質(zhì)粒子速度接近光速，那么它就是熱暗物質(zhì)。而介于兩者之間的是溫暗物質(zhì)。

冷暗物質(zhì)、溫暗物質(zhì)和熱暗物質(zhì)主要影響宇宙大尺度結(jié)構(gòu)形成的行為。宇宙早期處于熱平衡狀態(tài)，但是由于量子漲落的影響，仍然存在密度漲落。這些密度漲落隨著宇宙的演化，最終形成了我們現(xiàn)在看到的宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)。冷暗物質(zhì)速度很慢，容易在引力作用下坍縮形成結(jié)構(gòu)。受漲落的影響，密度大的區(qū)域引力也相對較強。這些區(qū)域就像滾雪球一樣，吸積周圍的物質(zhì)。小的結(jié)構(gòu)還會相互碰撞而合并，形成更大質(zhì)量的結(jié)構(gòu)。所以在冷暗物質(zhì)框架下，宇宙的結(jié)構(gòu)是由小到大的次序形成的。

熱暗物質(zhì)粒子速度非?？?，任何由漲落導(dǎo)致的小結(jié)構(gòu)都會被輕易抹掉。所以熱暗物質(zhì)與冷暗物質(zhì)的結(jié)構(gòu)形成過程正好相反，先形成大尺度的結(jié)構(gòu)，然后大尺度結(jié)構(gòu)會碎裂形成小尺度結(jié)構(gòu)。溫暗物質(zhì)的情況則介于兩者之間，在大尺度上與冷暗物質(zhì)類似，在小尺度上接近熱暗物質(zhì)。據(jù)研究者觀測發(fā)現(xiàn)，宇宙早期最先形成的是恒星，然后是星系、星系團，最后是超星系團。這表明宇宙的結(jié)構(gòu)形成過程是先小尺度結(jié)構(gòu)，再大尺度結(jié)構(gòu)。也就是說，宇宙暗物質(zhì)的主要組成部分應(yīng)該是冷暗物質(zhì)。不過目前并不能排除溫暗物質(zhì)模型。下面我們主要介紹冷暗物質(zhì)模型。

冷暗物質(zhì)模型是最流行，也是研究最多的暗物質(zhì)模型。在冷暗物質(zhì)模型下又有好幾種表現(xiàn)形式。本文重點介紹其中兩種：

第一種是大質(zhì)量弱相互作用粒子（WIMP），顧名思義，這種模型的暗物質(zhì)粒子質(zhì)量很大，是質(zhì)子質(zhì)量的數(shù)倍到數(shù)千倍。但是暗物質(zhì)粒子的相互作用卻非常弱，為弱相互作用量級。這樣的模型優(yōu)點是恰好能夠給出正確的宇宙暗物質(zhì)密度，這種性質(zhì)被稱作“WIMP奇跡”?，F(xiàn)有的暗物質(zhì)實驗很多都是針對WIMP來設(shè)計建造的，大體可以分為三類：直接探測、間接探測和對撞機探測。盡管有的實驗宣稱發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)的疑似信號（如DAMA直接探測實驗），但是沒有獲得別的實驗證實。

第二種冷暗物質(zhì)模型是軸子模型。軸子是為了解決量子色動力的強CP問題而引入的新粒子。但現(xiàn)有的核物理和天體物理實驗已經(jīng)對該類模型給出了非常強的限制。于是人們提出了推廣軸子模型的類軸子粒子，這是一類和軸子具有相似相互作用的粒子，但是模型具有更多的自由度，因此受到的實驗限制相對較弱。軸子和類軸子粒子質(zhì)量非常小，與其他粒子的相互作用也非常弱，是冷暗物質(zhì)的可能候選體。軸子（類軸子）可以在電磁場中和光子相互轉(zhuǎn)化，形成一種獨特的軸子-光子振蕩現(xiàn)象，在光子的能譜上就表現(xiàn)為能譜的振蕩行為。所以光子能量分辨率越好，就越有利于尋找軸子（類軸子）粒子。像“悟空”號衛(wèi)星能量分辨率非常高，因此在尋找軸子和類軸子粒子方面具有很大的優(yōu)勢。軸子和類軸子粒子也可以在地面實驗室進行探測，探測的原理仍然是光子-軸子轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。我們?nèi)粼诿荛]的實驗室中加上很強的磁場，那么宇宙中的軸子在穿過實驗室的時候，就有一定的幾率變成光子，這些光子可被實驗室內(nèi)的探測器所測量。

綜上所述，暗物質(zhì)模型具有修改引力模型所不具備的優(yōu)勢，因此暗物質(zhì)的搜尋也成為了當下許多國家的研究熱點，地面和空間實驗室都在緊鑼密鼓地尋找暗物質(zhì)的蛛絲馬跡。我國的暗物質(zhì)研究已走在了國際先進行列，開展的實驗有“悟空”號衛(wèi)星實驗、錦屏地下實驗室的PandaX和CDEX等。也許我們很快就能搞清楚暗物質(zhì)究竟是什么樣的粒子。當然我們的努力也可能都是在為后人發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)鋪路，而發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的人也許就在本文的閱讀者當中。

勢阱：指的是一個包圍著局部最小勢能的區(qū)域。

軸子：是粒子物理學(xué)及天文學(xué)宇宙模型中假想的暗物質(zhì)構(gòu)成粒子之一。

強CP問題：理論上，CP破壞是可以發(fā)生在強相互作用的，但目前在實驗中還未發(fā)現(xiàn)任何CP破壞的證據(jù)。在強相互作用的方程中，有一個角度θ（代表了CP破壞的量）可以取任何值。但是θ的值非常小，甚至有可能為零，表明CP對稱有可能在強相互作用中守恒。