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看不見的影子銀河系

宇宙中的暗物質遠比普通物質還多,我們迄今卻仍搞不清它的真面目。如今又有科學家提出奇想,認為暗物質還有更細緻的「分工」,有些在銀河系的相同位置組成了「影子銀河系」,藉此解釋令人困惑的天文現象……

作者/馬克斯‧ 尚恩(Marcus Chown)
譯者/戴凡惟

美國天文學家卡爾‧薩根(Carl Sagan)曾說,他之所以喜歡科學更勝於科幻小說,是因為科學比科幻更奇怪。來看看以下這個科學宣言:有個星系差不多坐落在銀河系的相同位置,然而望遠鏡看不到,因此一直沒被發現;它甚至可能擁有不可見的恆星、不可見的行星及不可見的生命。

這個「影子銀河系」的想法聽起來或許瘋狂,不過這是美國物理學家為了理解宇宙中看不見的「暗物質」所認真提出的構想。「我們認為這個想法值得探討,因為它或許能解釋某些令人困惑的觀測結果,而且能夠驗證。」麻省理工學院理論物理中心的馬修‧麥卡勒(Matthew McCullough)這麼說道。

暗物質假說可以用來解釋許多令人費解的的天文觀測結果。其中之一是在銀河系之類的螺旋星系,外側的恆星公轉速度比預期來得快。這些恆星照理說會被拋到星際空間才對,就像旋轉木馬加速時小朋友會被往外甩一樣,然而它們卻依然好端端地待在星系裡。天文學家據此推測,有大量不發出可偵測光線的物質以重力拉住它們。

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圖一︰電腦模擬顯示暗物質在宇宙局部可能的分布模式。

第二個需要用暗物質來解釋的觀測結果,是正在閱讀這本雜誌的你。大霹靂火球留下的餘暉「宇宙微波背景輻射」觀測結果顯示,物質在空間中的分布一開始十分均勻,不過有些地方的物質密度比平均值稍微高些,這些區域的重力比周圍更強,更快吸引其他物質而變得更緻密。然而這個過程太過緩慢,無法在宇宙138億年的年歲中產生像銀河系這麼大的星系。為了解釋我們存在,就必須假設有大量暗物質存在,以這些額外的重力來大幅提高星系形成的速度。

暗物質是何物?

暗物質占了宇宙質能的26.8%,遠勝一般物質的比例。構成你我以及萬物的一般原子物質只占了4.9%,暗物質是它的五倍有餘。問題是:暗物質是什麼?目前已經有許許多多的提案,有人認為那是大霹靂所留下、冰箱大小的黑洞,有人則認為它是未來時間軸反轉所殘留的遺跡。不過最廣為人接受的構想是,暗物質是由迄今尚未發現的次原子粒子所構成。

這樣的候選粒子為數不少, 軸子(axion)以及弱作用大質量粒子(weakly interacting massive particle, 簡稱WIMP)都是其中的例子。如果軸子真的存在,還可以解決自然界關於強作用力的問題。

超對稱(supersymmetry,簡稱SUSY)等理論試圖闡明,自然界的基本粒子「費米子」(fermion)只不過是另一類基本粒子「玻色子」(boson)的一體兩面,這些理論也預測WIMP存在。這些粒子是以已知次原子粒子的「超伴子」(superpartner)形態整組出現。能穩定存在的最輕超伴子是「超微中子」(neutralino),也是暗物質有力的候選人。

但是有個問題:大型強子對撞機的超高能對撞實驗目前仍未使超微中子或其他暗物質粒子現形。「加速器將在2015年重新啟動,並且達到更高的對撞能量,到時候就有可能發現某種暗物質粒子。」麥卡勒說,「不過萬一還是沒找到呢?」

有些物理學家已經開始思索現行的暗物質模型是否需要調整。「日常生活的世界十分複雜:它並不是由一塊樂高積木般的粒子構成,而是有許許多多的粒子。」麥卡勒說道,「如果暗物質也像這樣呢?」

麥卡勒與哈佛大學的麗莎‧藍道(Lisa Randall)合作研究。藍道是《彎曲的旅行》(Warped Passages )一書的作者,也是第一位在哈佛大學與麻省理工學院獲得終身聘的女性理論物理學家。她與同事提出一種新形態物質,它能夠與自己的同類作用,但卻不對正常物質起反應,導致我們無法得知它的存在。

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圖二︰麗莎‧藍道相信,有個暗物質星系盤可能和銀河占據相同位置。

最重要的是,這種同類之間自我作用的暗物質,行為表現與原本模型中的暗物質不同。一般普遍認為,我們的銀河系起初是一大團轉動的球狀暗物質摻雜著正常物質,正常物質受到重力的影響開始坍縮,自轉軸的兩極坍縮得快些,赤道附近則因為有向外的離心力與重力對抗,坍縮得較慢。這團物質最後變成扁平狀的圓盤,接著分裂成許多恆星;這現象之所以能發生,是因為正常物質可以透過發射電磁波(即光線)來釋放出熱能,熱產生向外的推力,阻止塵雲因重力而坍縮。最關鍵的是,暗物質不會發光,無法釋出能量並坍縮成圓盤構造,因此它維持著原本的球狀雲團狀態。這使得銀河系像是包埋在球狀暗物質雲團當中的螺旋狀扁平星盤。

不過藍道及同事說,她們所設想的那種暗物質,或許能透過某種類似電磁力的力與同類物質產生作用,因此它也許可以藉由發出暗電磁波(或者稱為「暗光」)來釋放能量。「於是暗物質便能坍縮成扁平的圓盤,像正常物質那樣。」她說道,「我們稱之為雙盤暗物質(double-disc dark matter)。」

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圖三︰宇宙微波背景揭露早期宇宙物質分布得並不均勻。

藍道所說的並非指所有的暗物質。球狀暗物質雲團確實能解釋銀河系內恆星運行的速度,因此絕大部分的暗物質必然是這種形態。然而其中一部分暗物質或許會形成扁平的圓盤,質量約莫與可見星系盤相當。

這種雙盤的構想也許能用來解釋某些觀測上的異常現象。比方說,NASA的費米γ射線太空望遠鏡偵測到來自銀河系中心,能量一千三百億電子伏特(130 GeV)的γ射線。如果存在一種質量為130 GeV(約為質子質量的一百三十倍)的暗物質粒子,這個現象就解釋得通:這些γ射線可能來自這種暗物質與其反物質粒子的成對湮滅。如果暗物質以球狀銀暈的形式薄薄地分布,暗物質的密度將不足以解釋這種γ射線的成因。然而「如果有雙盤,這種新型暗物質的密度就會更高,更容易碰到另一個粒子而湮滅。」藍道說。

創新洞見,還是一廂情願?

許多實驗正試圖偵測通過地球的暗物質。由於暗物質並不會與一般物質起作用, 因此研究人員運用矽、氙、氟、碘等各種原子核,希望能「看」到原子核突然受到暗物質粒子撞擊時產生的反彈現象。

即便太陽以相對於暗物質銀暈每秒兩百二十公里的速度繞著銀河系中心公轉,大部分實驗並沒有看到任何結果。「如果一部分的暗物質形成第二星系盤,與可見星系一起轉動的話,這就會是預期中的結果。」麥卡勒說,「暗星系盤與正常星系盤之間沒有相對運動,暗物質撞上偵測器的力道將會太輕而觀測不到。」

不過,有項實驗結果可能會讓我們不需要雙盤模型。儘管在南達科他州舊金礦坑裡的大型地下氙實驗(Large Underground Xenon,簡稱LUX)並沒有看到任何暗物質粒子,然而位於明尼蘇達州蘇丹礦坑(Soudan mine)的低溫暗物質搜尋實驗計畫(Cryogenic Dark Matter Search,簡稱CDMS)卻記錄到三個暗物質事件,能量全都集中在八千到一萬兩千電子伏特之間。

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圖四︰LUX實驗的偵測器,位於南達科他州的舊金礦坑中。截至目前為止它尚未找到暗物質的證據。

怎麼會有這種不一致的現象呢?麥卡勒和藍道宣稱只要對他們的理論做點修正,就能解釋這項奇怪的結果。設想一個處於高能量態的暗物質粒子,當它撞上CDMS實驗中的矽原子核時,它會失去能量,造成矽原子核反彈,然而這種碰撞所釋出的能量不足以在LUX實驗中產生信號。

批評者或許會說這種暗物質模型無法解釋我們所見的結果,藍道和她的同事只是將他們的模型裝飾得更華麗罷了。他們也許認為這就像古希臘人一樣,在發現他們的「行星以圓形軌道繞地球公轉」模型與觀測資料不符之後, 在圓形軌道上又疊上更多圓形軌道(稱為「周轉圓」),直到兩者相符為止。

「我認為這比加上周轉圓還要糟糕,」以色列魏茲曼科學研究所的莫德海‧米爾格若姆(Mordehai Milgrom)說,「這根本是隨性加上周轉圓。」米爾格若姆是「牛頓動力學修正」(Modified Newtonian Dynamics, 簡稱MOND)的鼻祖,這項理論主張,螺旋星系中恆星公轉速度之所以異常,並不是因為大量的不可見暗物質產生額外的重力,而是因為重力原本就比牛頓的預測更強。

藍道並未理會這些批評。「我們(比原來的暗物質理論)更進一步,探討暗物質是否可能像一般物質那樣具有更豐富的結構。」她說道,「我們做了合理的假設,就是其中一部分暗物質能彼此交互作用。」

麥卡勒同意,雙盤暗物質的構想並不符合「奧坎的剃刀」(Occam’s razor)這個古早箴言:如果有兩個彼此競爭的理論,比較簡單的那個通常是對的。

「不過如果暗物質真的如此複雜呢?」他說,「那我們就非得接受大自然所給的不可。」

所以該怎麼尋找銀河系第二星系盤的證據呢?「它會影響太陽系周遭恆星感受到的重力場,」藍道說,「因此精確觀測它們的運動,或許可以揭露第二星系盤的存在。」

第二星系盤的厚度與範圍可能與我們的星系盤不同。藍道說:「不過即使暗星系盤與正常星系盤一開始並未重疊,它們之間的引力很久以前就使兩者重疊了。」

暗電磁力的存在使得一部分暗物質聚集成「影子星系盤」。受到已知作用力所對應到的暗作用力影響,影子星系盤可能會接著分裂成恆星大小的團塊。「這些團塊是否會孕育出暗恆星,端看是否有暗強作用力與暗弱作用力點燃核反應。」藍道說。

外星人原來住在暗宇宙?

有個有趣的猜想是,暗物質構成的影子宇宙不僅如可見宇宙那麼複雜,搞不好還更加複雜;它的基本作用力或許有六種,而不是四種。這是否能解釋儘管我們已經搜尋外星人訊號超過半世紀,卻從來不曾見過他們?有沒有可能是因為暗物質宇宙比我們的有趣得多?先進外星文明是否非得住在影子宇宙裡,因為一切活動都得在那裡進行?「這就真的屬於科幻小說的範疇了!」麥卡勒笑說。■

 

作者馬克斯‧尚恩/加州理工學院天文物理學碩士,著有《世界只有方糖那麼大》(The Quantum Zoo)。
譯者戴凡惟/英國杜倫大學理論物理學博士,現為博士後研究員,從事弦論方面研究。

 

本文選自《BBC知識國際中文版》第33期(2014年5月號)。版權所有,轉載請註明出處。

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