暗物質比先前認為的還要「暗」

credit: Hubble Space Telescope

暗物質（dark matter）在我們對於宇宙的了解中仍是一個巨大的問號，不過，瑞士洛桑聯邦理工學院（École Polytechnique Fédérale de Lausanne，EPFL）天文學家David Harvey等人利用哈伯太空望遠鏡（Hubble Space Telescope）和錢卓X射線觀測衛星（Chandra X-ray Observatory）觀測星系團（galaxy clusters）互撞時，星系團中的暗物質會有什麼樣的行為模式，結果發現暗物質彼此間的交互作用程度比先前認為的還要少，但這一發現也將暗物質可能的「身份」範圍縮減，希望最終能揭開暗物質的神秘面紗。

目前科學家們對暗物質的瞭解仍然非常粗淺，僅知宇宙中的暗物質含量比可見的一般物質還要多。造成這種尷尬境況的原因在於：暗物質不反射、發射或吸收光線，因此無從用現代儀器「看到」這些暗物質，只能透過暗物質對一般可見物質的重力效應來窺見暗物質的存在，因此才會將之稱為「暗」物質。由於對它的不瞭解，因此對暗物質性質的猜測相當多元化而複雜。

為了更瞭解這些神秘的物質，Harvey等人透過類似研究可見物質的實驗，期待觀察到暗物質與一般物質撞擊時會發生什麼事。因為規模夠大才能看出撞擊效應，他們挑選了星系團作為觀察目標。星系主要由恆星、氣體雲和暗物質組成。當星系團發生碰撞事件時，散佈在星系各處的氣體雲會彼此撞擊，而後逐漸減速或甚至停下；換言之，星系撞擊時的氣體-氣體交互作用（gas-gas interaction）非常強。然而恆星本身則很少受到星系團撞擊時的氣體阻滯力（gas-star drag）影響，而且由於恆星彼此間的間隙很大，所以並不會彼此影響而使速度減慢，不過如果真的發生恆星互撞，則摩擦減速的力道也還是很龐大的。

先前認為暗物質的行為應該類似子彈星團（Bullet Cluster）中所呈現的。但僅有一個案例，很難預測將會看到什麼。每一次的星系團碰撞都耗時數億年才結束，因此以人類生命而言，我們只能從一個特定角度看到碰撞事件的某一瞬間。但碰撞案例數量若能增加許多，那麼便可從各個碰撞呈現的片段資訊，拼貼出比較完整的劇情，瞭解事態的發展走向。

credit: Hubble Space Telescope

Harvey等人從哈伯和錢卓觀測資料中選取的72個大型星系團撞擊事件進行研究。這些撞擊事件發生在不同時期，所見的撞擊角度也互異，有些是從側邊所見，有些則是正面的俯瞰景象。既然已知氣體和恆星在星系團互撞過程中會如何行動，以及會在何處發生這些事件，那麼僅需對照暗物質如何作用，就可以幫助科學家縮減暗物質可能的組成成分的範圍。

這些天文學家發現：像恆星一樣，暗物質在劇烈撞擊時會持續前進，並不會慢下來。然而又和恆星不一樣，暗物質之所以不會慢下來，並不是暗物質彼此間距離很遠，碰不到一起的關係。現行公認的理論認為暗物質是均勻的散佈在星系團內，因此暗物質粒子彼此間應該靠得很近。所以暗物質在星系團撞擊過程中之所以不會慢下來，是因為它們不僅幾乎不與一般可見物質粒子交互作用，而且暗物質彼此間的交互作用程度也比之前認為的還低；這項事實，正是讓Harvey等人能縮減暗物質的可能性質的關鍵。

現行最被接受的暗物質理論認為暗物質可能是由「超對稱粒子（supersymmetric particle）」所組成。在標準模型（Standard Model）中，認為電子、質子、中子等所有粒子都有它自己的超對稱粒子伙伴，這些超對稱粒子伙伴的質量比粒子本身稍重一些。這項理論迄今還無法獲得實驗證實，不過已經可以協助科學家們解決一些紛爭；超對稱理論其中一項概念認為粒子是穩定且為電中性，與標準模型中的一般粒子僅有很微弱的交互作用。而這些性質，似乎都能解釋暗物質的性質。

Harvey等人目前計畫要繼續增加碰撞星系團的案例數，甚至考慮將單獨的星系撞擊也納入研究範圍，畢竟單獨星系撞擊的事件比星系團碰撞要常見多了。

資料來源：

1. Dark matter even darker than once thought. [Hubble space telescope, March 26, 2015 ]
2. Harvey, D., Massey, R., Kitching, T., Taylor, A., & Tittley, E. (2015). The nongravitational interactions of dark matter in colliding galaxy clusters. Science, 347(6229), 1462-1465.

本文轉載自網路天文館。