暗物質也許是量子真空所造成的錯覺

觀測星系時，科學家發現了「看不見的物質」

我們現在所看到的人類、太陽、星系以及星系群等等，所有東西都是由物質構成。「物質構成了宇宙的全部」這個概念長年以來深植於人類心中。

不過，後來我們了解到，宇宙中存在著許多我們人類看不到的物質，那就是「暗物質（dark matter）」。這個名稱聽起來很像科幻作品中的虛構物質，卻實際存在於宇宙中，而且暗物質在宇宙中的含量，遠多於我們看得到的「物質」。

1934 年，瑞士的天文學家茲威基（Fritz Zwicky，1898～1974）觀測「后髮座星系團」時，發現周圍星系的旋轉速度所對應的中心質量，與透過光學觀測結果推算的中心質量不符。

周圍星系的轉速明顯過快，推測存在 400 倍以上的重力缺損（missing mass）。

在這之後，美國天文學家魯賓（Vera Rubin，1928～2016）於 1970 年代觀測仙女座星系時，發現周圍與中心部分的旋轉速度幾乎沒什麼差別，並推論仙女座的真正質量，是以光學觀測結果推算出之質量的 10 倍左右。

到了 1986 年，科學家們觀測到了宇宙中的大規模結構，發現星系的分布就像是泡泡般的結構。若要形成這種結構，僅靠觀測到的質量是不夠的。

為了補充質量的不足，科學家們假設宇宙中存在「看不見的物質＝暗物質」。

看不到卻存在？暗物質究竟是什麼？

前面提到我們看不見暗物質，而且不只用可見光看不到，就連用無線電波、X 射線也不行，任何電磁波都無法檢測出這種物質（它們不帶電荷，交互作用極其微弱）。

因為用肉眼、X 射線，或者其他方法都看不到它們，所以稱其為「暗」物質。

不過，從星系的運動看來，可以確定「那裡確實存在眼見所及之上的重力（質量）」。這就是由暗物質造成的重力。

• 延伸閱讀：暗物質比先前認為的還要「暗」

看不到的能量：暗能量

事實上，科學家們也逐漸了解到，宇宙中除了暗物質之外，還存在「看不見的能量」。

原本科學家們認為，宇宙膨脹速度應該會愈來愈慢才對，不過，1998 年觀測 Ⅰa 型超新星（可精確估計距離）時，發現宇宙的膨脹正在加速中。這個結果證明宇宙充滿了我們看不到的能量「暗能量（dark energy）」。而且，暗能量的量應該比暗物質還要更多。

我們過去所知道的「物質」，以及暗物質、暗能量在宇宙中的估計比例，如下圖所示。 這項估計是基於 WMAP 衛星（美國）於 2003 年起觀測的宇宙微波背景輻射（CMB），計算出來的結果。

後來，普朗克衛星^＊（歐洲太空總署）於 2013 年起開始觀測宇宙，並發表了更為精準的數值。

歐洲太空總署（ESA）為了觀測距離我們 138 億光年的宇宙微波背景輻射（CMB）而發射至宇宙的觀測裝置（人造衛星）。可與 NASA 發射，廣視角、低感度的 WMAP 衛星互相對照。由 WMAP 衛星製成的 CMB 地圖，計算出宇宙年齡應為 137 億年左右，誤差在正負 2 億年內；普朗克衛星則製作出了更為詳細的 CMB 地圖，並以此推論出宇宙年齡應為 138 億年左右，誤差在正負 6000 萬年內，數字更為精準。  

暗物質的真面目，究竟是什麼？微中子嗎？

既然暗物質有質量，那會不會是由某種基本粒子構成的呢？也有人認為暗物質是在宇宙初期誕生的迷你黑洞（原始黑洞），而我也致力於這些研究，不過相關說明不在此贅述。

已知的基本粒子（共 17 種）以及其他未知粒子，都有可能是暗物質，在這些粒子當中最被看好的是微中子。

因為暗物質不帶電荷，不與其他物質產生交互作用，會輕易穿過其他物質。這些暗物質的特徵與微中子幾乎相同。而且，宇宙中也確實充滿了微中子。因此，微中子很可能是暗物質的真面目。

不過，目前的物理學得出的結論卻是「微中子不可能是暗物質的主要成分」。

為什麼微中子被撇除了呢？

這是因為，雖然微中子大量存在於宇宙中，質量卻太輕了。雖然科學家們現在還不確定微中子的精準質量是多少，不過依照目前的宇宙論，3 個世代的微中子總質量上限應為 0.3eV。如果暗物質是微中子，那麼 3 個世代的微中子總質量應高達 9eV 才對，兩者相差過大。

另一方面，暗物質中的冷暗物質（cold dark matter）的速度應該會非常慢才對。

宇宙暴脹時期會產生密度的擾動，進而產生暗物質的擾動（空間的擾動應與觀測到的 CMB 擾動相同），這種微妙的重力偏差，會讓周圍的暗物質聚集，提升重力，進一步吸引更多原子聚集，最後形成我們現在看到的星系。

相較於此，微中子過輕（屬於熱暗物質，hot dark matter），會以高速飛行。微中子無法固定在一處，這樣就無法聚集起周圍的原子，自然也無法形成星系。

熱暗物質、冷暗物質

這裡要介紹的是熱暗物質與冷暗物質。所謂的「熱暗物質」，指的是由像微中子那樣「以接近光速的速度飛行」的粒子組成暗物質的形式。

宇宙微波背景輻射（CMB）可顯示出宇宙初期的溫度起伏，因而得知存在相當微小，卻十分明顯的擾動，此擾動與暗物質的擾動相同。擾動中，物質會往較濃的部分聚集，並形成星系或星系團等大規模結構。

不過，如同我們前面提到的，科學家們認為以接近光速的速度運動的微中子，在程度那麼微弱的宇宙初期擾動下，很難形成現今的星系團。

於是，科學家們假設宇宙中還存在著速度非常慢的未知粒子「冷暗物質」。

冷暗物質的候選者包括「超對稱粒子（SUSY 粒子）」當中光的超伴子——超中性子（neutralino）、名為軸子（axion）的假設粒子；另外，也有人認為原始黑洞可能是「冷暗物質的候選者」，雖然黑洞並不是基本粒子。

在討論暗物質時，即使不假設這些未知粒子的存在，在標準模型的範圍內，微中子也是呼聲很高的候選者。

如同在討論熱暗物質時提到的，當我們認為微中子應該不是主要暗物質時，就表示基本粒子物理學需要一個超越標準理論的新理論，這點十分重要。

那麼，微中子真的完全不可能是暗物質嗎？

倒也並非如此。如果存在右旋的微中子，由於我們還不曉得它的質量以及存在量，所以「微中子是暗物質」的可能性還沒完全消失。不過，這樣就必須引入超越標準理論的理論才行。

在目前只有發現左旋、符合標準理論的微中子的情況下，一切都還未知。關於這點，我們將在《大人的宇宙學教室：透過微中子與重力波解密宇宙起源》第 6 章第 7 節詳細說明。

——本文摘自《大人的宇宙學教室：透過微中子與重力波解密宇宙起源》，2022 年 6 月，台灣東販，未經同意請勿轉載。

• 撰文｜劉詠鯤

本文轉載自 CASE 科學報 《宇宙中的旋轉木馬——利用黑洞尋找暗物質》

空無一人的遊樂園中，旋轉木馬快速的旋轉著。突然，憑空出現一群小孩跳上木馬，從旋轉木馬獲得高速後，又集體跳下，一哄而散，只留下轉速驟降，緩慢旋轉的木馬……。這看似荒誕的場景，卻是理論預測可能在宇宙中隨時發生的事。其中旋轉木馬指的是什麼？憑空出現的孩子們又代表了誰？

在生活的周遭，我們能夠感受到（看到、摸到）某個東西存在。是因為構成我們周遭世界的粒子，幾乎都會透過電磁力互相作用。但是在廣闊的宇宙中，這樣的物質只佔總數的 15%，剩下 85% 物質，我們摸不到、看不到，因此被稱為「暗」物質。科學家透過天文觀測證據，推測在宇宙中必須存在龐大數量的暗物質，它們提供的重力，使各個星系不至於分崩離析。因此，暗物質是種「我們知道它應該要存在，但又不知道它是什麼」的東西，是當下最前沿的物理學研究在嘗試明白的重要議題。關於暗物質的真面目，目前有各種物理模型嘗試描述，其中一模型預測了一種假想粒子：「極輕玻色子^[1]」。

暗物質的可能真面目——極輕玻色子

在基本粒子中，電子的質量已經算是較輕的。而極輕玻色子，它的質量大約只有電子質量的 10 億分之一，因此稱它為「極輕」，和其他理論模型預測的大質量暗物質候選人區隔。由於他們幾乎不跟周圍的物質發生交互作用，因此到目前為止，科學家尚無法確認這種粒子究竟存不存在。如果存在，那它們很有可能就是暗物質的真面目。

面對這種未知，科學家們是如何尋找暗物質的呢？其中一種策略是「排除法」。想像我們有天回家時發現手機不見了，理論上來說，手機可能出現的地方有無數個，但我們會透過回憶、親朋好友的描述，來限縮手機可能出現的範圍，如此就能避免海底撈針的窘境，大大增加了找到的可能性。

根據理論推估，極輕玻色子的質量範圍可能落在 10^-33－10^-6 電子伏特這麼龐大的範圍之中。科學家目前正嘗試用各種方法，有的經由設計精密的實驗對特定質量範圍進行地毯式搜索，有的透過天文觀測數據嘗試去限縮可能的質量範圍。在《物理評論快訊》4 月的一篇論文中^[2]，麻省理工學院－雷射干涉引力波天文台（LIGO）實驗室的科學家，利用「黑洞」來搜尋這種極輕粒子。這種概念聽起來十分不可思議，黑洞的質量至少是電子的倍，比極輕玻色子的質量至少大了 70 個數量級，作為對比，一個成年人和太陽質量大約只差了 30 個數量級。如此一個超級巨型的天體，是如何與微觀世界的基本粒子扯上關係的呢？這要提到量子理論預測的神奇現象：「超輻射（Superradiance）」。

超輻射與黑洞自旋速度

量子理論告訴我們，在非常小的尺度下，古典理論將會失效，我們不再能將粒子視為一個單一質點。這個尺度被稱為康普頓波長（Compton Wavelength），它和粒子的質量成反比。質量極小的極輕玻色子，所對應的康普頓波長則非常大。對於特定質量的玻色子，其康普頓波長會和黑洞的尺寸差不多。當這個條件滿足，超輻射便會發生：黑洞附近強大的重力場，從真空中產生數量龐大的玻色子向外輻射出。這些玻色子，會將黑洞的能量帶走，使其自旋減慢。根據科學家的估計，這個減速作用可以持續數千年，使黑洞的自旋速度明顯減慢。

黑洞的自旋速度，可以透過分析 LIGO 偵測器訊號得知。LIGO 偵測器主要偵測黑洞、中子星互相環繞、合併所放出的微弱重力波訊號（關於重力波偵測器的更多詳細介紹，可參考 CASE：「愛因斯坦預測成真：首次偵測到重力波訊號」及相關系列文章）。研究團隊分析了 45 組黑洞互繞事件，這些黑洞具有 10－70 倍太陽質量。這對應到和它們發生交互作用的玻色子質量介於電子伏特。

其中有兩個黑洞，被發現以非常高的轉速在旋轉著。若是這個質量範圍的玻色子確實存在，那這些黑洞速度應該被減速至一半以下。因此，這兩個高轉速黑洞的存在，暗示著沒有與其發生交互作用的極輕玻色子。那有沒有可能黑洞的確被減速，但存在其他加速機制使黑洞又重新被加速？例如藉由吸入大量吸積盤^[2]物質，獲得能量及動量？研究團隊也對此進行了仔細的估算，發現各種重新加速的機制，皆要耗費極長時間才能加速到現在的速度，這種可能性微乎其微。因此，這兩個高轉速黑洞的存在，基本上可以排除了特定範圍的極輕玻色子質量範圍。

這個實驗協助縮小了搜尋極輕玻色子的質量範圍，也是首個利用黑洞重力波資訊尋找暗物質的嘗試，可以說是一個重力波實驗與粒子物理很棒的跨界合作！

註解

1. 在量子力學中，粒子可被分為「費米子」、「玻色子」，兩者具有截然不同的性質。若以比喻的說法，費米子較為孤僻，不喜歡大量群聚；玻色子則恰恰相反。
2. 在黑洞周圍，受黑洞強大重力吸引的物質所形成的圓盤狀結構。

參考資料

1. Fast-spinning black holes narrow the search for dark matter particles
2. K. Y. Ng et al. , Constraints on Ultralight Scalar Bosons within Black Hole Spin Measurements from the LIGO-Virgo GWTC-2, Phys. Rev. Lett. 126, 151102. 2021

• 作者 / 丹尼爾‧古德曼
• 譯者 / 許可欣

大衛．斯伯格（David Spergel）

在學生時代，我曾想過以後可能會從事科學之外的職業。在我讀高中時，我活躍於撰寫校刊和參加學生會活動。而到了大學，我對傳播和政策仍十分有興趣。在大學的最後一年，我申請到研究所和法學院就讀。在就讀研究所時，我寫了一篇政策報告專門評論星際大戰中的策略。我想若那時攻讀哈佛大學博士學位花比較久的時間，或是未如此順利，那麼我的職業生涯發展可能大有不同。

我的研究進展十分順利，也迅速開啟我的科學家職業生涯。當時，我投入兩年的時間完成論文，經過兩年博士後研究，我成為普林斯頓大學天文物理學系教授。

能在兩年的時間內在哈佛大學完成博士學位幾乎是前所未聞。我能這麼快完成學位的原因有很多，其中之一是我曾在普林斯頓大學和牛津大學進行研究，因此我熟悉研究過程。我也已經完成學業課程，所以我可以專注在研究上。另外，身為一名理論學家，我能夠運用其他人已經生成的數據，而不必從頭開始。我還有別人沒有的優勢，那就是身為普林斯頓大學的大學生，我有幸能接觸新型的超大天線陣列無線電望遠鏡，獲得第一手數據，而身為哈佛大學的博士生，我研究暗物質探測領域，當時還是一個嶄新領域，我能站在與其他研究者截然不同的角度來思考問題。

在博士後研究期間，我的指導教授約翰．巴考爾（John Bahcall）告訴我物理學家漢斯．貝特（Hans Bethe）曾說過人們應該全力投入他們具有不公平優勢的領域。意思是說若要深入在某一領域取得成功，需要具備別人沒有的優勢。就如同我曾在普林斯頓大學和哈佛大學就讀，我具備這樣的優勢。

不公平的優勢有很多不同的形式，可能包含處理問題的新技術。舉例來說，嶄新的數學方法。更常見的是新科技的問世，例如：新型探測器或測量方法。優勢也可能是來自另一派科學分支的理論見解，就我的情況而言，我的優勢是我能將粒子或凝聚態物理學的新概念應用於宇宙學。在職業生涯中，我能將所擁有的優勢應用到有趣的科學問題上，何其有幸！

家庭榜樣

我從小在紐約長島的杭亭頓長大。我就讀杭亭頓的公立學校，在數學和科學領域尤為出色。高中時我有很多優秀的老師，其中最熟的是新聞學老師。我是校刊編輯，也撰寫過多篇校刊文章。我在高中時期學會如何寫一手好文章，我所學到的溝通技巧在未來的職業生涯中也非常重要。

我的父親是紐約市立大學的物理系教授，母親則是一名高中家政課老師。我的家庭很鼓勵孩子投入科學領域，但這並不代表我父親督促我朝科學領域發展，他其實沒有強迫我或我的手足踏入科學領域。事實上，我是家中唯一在物理學界發展的孩子。身為物理系教授的父親確實是我的榜樣。紐約市立大學的教授以教學為主，研究為輔。我父親是很成功的老師，作育英才無數，他教過的學生很多都是家族中第一個上大學的孩子。

高中畢業後，我被普林斯頓大學錄取，但那時還不確定我要讀什麼。我考慮主修數學和物理學，也曾想到威爾遜公共與國際事務學院學習政府和政策。我發現普林斯頓大學大一課程非常有挑戰性。我修習數學系的入門課程，這才意識到雖然高中時是數學頂尖的學生，但我似乎不具備成為數學家的天分。另外我還發現我在實驗室缺乏協調能力，也不適合成為實驗學家。

從大三開始，我發現我對做研究很感興趣。大三第一學期我與牛津大學的客座教授詹姆斯．班尼（James Binney）進行軌道動力學的理論研究，在第二學期與吉莉安．納普（Gillian Knapp）教授運用無線電觀測星際介質。大四時我繼續與納普教授一起工作。

大四接近尾聲時，我又面臨不確定該朝哪個方向走的困境。我向四所設有天體物理學、法律和政府課程研究所的學校提出申請。我的前兩大志願是哈佛大學和加州理工學院。在參訪哈佛大學期間，我遇到比爾．普雷斯（Bill Press）教授，我和普雷斯教授一見如故，我們討論了各種技術問題。因此，我決定選擇哈佛大學就讀，我希望未來能成為普雷斯教授的指導學生。就算未如預期，在這麼一個師資優秀的學系，我總能找到一個誨人不倦的指導教授。另外，我認為哈佛大學的所在地劍橋市比加州理工學院有更豐富多元的社會環境，所以我選擇哈佛大學。

被哈佛大學錄取後，我延後一年入學。利用那段時間，我來到牛津大學。那是非常棒的一年，我愛上在異國生活的新奇感，也交了很多朋友。在牛津大學時，我修了幾門課。但大部分的時間，我投入研究並撰寫銀河動力學相關論文。在經歷普林斯頓大學和牛津大學的學術洗禮後，我來到哈佛大學開始新的研究。

那時候，高能粒子物理學家正在探討是否能透過高能加速器產生暗物質。理論學家推測宇宙中的大多數物質並非由我們熟悉的質子或中子構成，他們認為暗物質是大質量弱交互作用粒子，正如超對稱粒子物理學標準模型的擴展理論所預測。

身為天體物理學家，我很幸運能夠以不同角度來看待暗物質相關議題。假設粒子物理學家對於暗物質組成的看法正確，我想知道還有什麼檢測暗物質的方式。在牛津大學期間，我仍持續與班尼教授一起研究，班尼教授是我大三撰寫銀河動力學論文的指導教授。所以我對動力學有深刻的了解，也對銀河系結構有所涉獵。

開放的發揮空間

我的博士論文指出地球繞著太陽公轉，而太陽繞著銀河系旋轉，因此地球轉動速度每年會隨季節變化。舉例來說，受銀河系的暗物質的影響，地球在六月轉動速度最快，而十二月轉動速度最慢。年度速率的調整代表事件發生率應以能量的函數進行調整，這也相對容易計算。自那時起，這種調整就成為實驗中用來區分暗物質和背景事件的觀察信號。由於我是該領域的第一位天體物理學家，所以我有一個開放的發揮空間，有幾個有趣且相對容易解決的問題。我很快完成一系列文章，並整合為論文。

是否能成為一名好的研究人員仰賴好幾項因素而定。首先，需要對研究感興趣，能盡情享受研究帶來的快樂。其次，時間和努力。第三是天分。天分有很多種，有些人擅長數學，而有些人擅長計算。創造力也很重要，因為創造力能找到解決問題不同的方法。

我認為最重要的是發現有趣問題的能力。有一些學生善於解決已知的問題，但要能夠找到有趣的機會並不是每個人都能做到的，這是一個更高的層次。作為一名教授，這是最難教會學生的，但這非常重要。

完成博士學位後，我留在哈佛大學從事博士後研究。我收到普林斯頓大學高等研究院巴考爾教授邀請參觀。巴考爾教授邀請我加入高等研究院，我在那裡工作兩年。這對我來說是個難得的機會，為我開創新領域。

我很高興能在普林斯頓大學高等研究院進行研究，但是想要投入教育界。當系主任傑瑞．奧斯特里克（Jerry Ostriker）鼓勵我申請教職時，我正在與普林斯頓大學天文物理學系的一位成員合作進行一項計劃。目前，我擔任普林斯頓大學天文物理學系教授已逾三十年。儘管我是一位理論學家，但我還是很喜歡與實驗學家和天文觀測員合作。我會與一兩個學者合作小型計劃，也和很多龐大的團隊合作大型計劃。我喜歡與他人合作，藉此向他們學習。我試圖尋找新穎的方法運用天體物理學儀器來解決有趣的問題。我仍在發掘或創造優勢，希望在新領域發展順利。

寫作和政策是我一直喜歡的領域，也是我學生時代想要深造的領域。這些領域在我後來的職業中日益重要。我同時是美國國家科學院（National Academy of Sciences）太空研究委員會和美國國家航空暨太空總署（National Aeronautics and Space Administration，簡稱NASA）顧問委員會主席。我也在許多諮詢委員會任職，負責諸多大型計劃。我花很多時間制定政策和進行管理，讓工作順利進行的重要技能包含傾聽、寫作、思考大局，將枝微末節與重點區分開來。

關於主角

大衛．斯伯格是天文物理學家，畢業於普林斯頓大學和哈佛大學。他是普林斯頓大學天文物理學系教授，也是物理學系、機械與航空航天工程學系的副教授。他還擔任紐約熨斗研究院（Flatiron Institute）天文物理學計算中心主任。