11個有關暗物質未解之謎：為你揭開暗物質的神祕面紗
上世紀30年代，一位名叫弗裡茨·茲威基（Fritz Zwicky）的瑞士天文學家注意到，一個位於遙遠星團中的星系的旋轉速度遠快於通過其可見物質計算得出的旋轉速度。因此他提出，這些星系中也許存在某種看不見的物質、即暗物質，通過引力拉動星系旋轉。
此後，研究人員證實了宇宙各處都存在這種神祕物質，並且其總量多達構成恆星、人體等普通物質的六倍。然而，儘管我們知道宇宙中存在暗物質，它們仍令科學家大傷腦筋。本文將為你介紹11個有關暗物質的未解之謎。
暗物質是什麼？
首先要說的一點、也最令人為難的一點是，研究人員仍不清楚暗物質究竟為何物。一開始有科學家猜測，宇宙中失蹤的質量也許由黯淡的小型恆星及黑洞構成。但美國能源部費米實驗室科學家唐·林肯（Don Lincoln）指出，詳細觀測結果顯示，這些天體的數量根本不足以解釋暗物質的重大影響。目前最可能解釋暗物質之謎的“候選人”為“弱相互作用大質量粒子”，簡稱WIMP。該粒子的行為方式類似於中子，但質量可能比質子重10至100倍。不過，這種猜想又帶來了更多問題，由於數量太多，在此就不一一列舉了。
我們能否探測到暗物質？
如果暗物質由WIMP粒子構成，就應該無處不在，但無法被我們看見、也很難被探測到。那麼，我們為何連一丁點WIMP粒子都沒找到呢？雖然這類粒子幾乎不與普通物質發生互動，但它們在宇宙中穿梭時，偶爾也會撞上一個質子或電子這樣的普通粒子。因此，科學家在地下開展了一次又一次用到大量普通粒子的實驗，避開外界的輻射干擾，模擬暗物質粒子的撞擊過程。但問題是，在數十年的研究之後，這些探測器仍未做出任何具有可信度的發現。今年年初，中國PandaX實驗報告了最新一次WIMP粒子的探測情況，結果又是一無所獲。加州大學河濱分校物理學家Hai-Bo Yu指出，照這樣看來，真正的暗物質粒子可能比WIMP粒子小得多，或者其特性會大大增加研究難度。
暗物質僅由一種粒子構成嗎？
普通物質既可以由質子、電子這樣的普通粒子構成，也可以由中微子、渺子、介子這樣奇奇怪怪的粒子構成。因此有些研究人員提出，佔了宇宙全部物質85%的暗物質是否也會如此複雜呢？“我們沒有理由認為，宇宙中的所有暗物質都僅由一種粒子構成。”哈佛大學物理學家安德烈·卡茲（Andrey Katz）指出。例如，暗質子可以與暗電子結合，構成暗原子，暗物質的世界也可以與我們見到的世界同樣豐富、有趣。雖然越來越多的物理實驗室開始提出類似的設想，但無論是證實還是證偽，都令科學家們一籌莫展。
暗力量存在嗎？
除了暗物質粒子之外，暗物質還可能會受到“暗力量”的影響，就像普通力對普通物質的影響一樣。一些研究人員一直在尋找“暗光子”。這種粒子類似於在普通粒子之間來回互換、從而產生電磁力的普通光子，只不過唯有暗物質粒子才能感覺到它的存在。義大利物理學家正準備用一束電子和正電子轟擊鑽石。假如暗光子真的存在，電子-正電子對就會湮滅，生成一個攜帶特殊力的“暗光子”。如果成功，或許會開啟一個全新的宇宙領域。
暗物質會不會由軸子構成？
隨著物理學家逐漸對WIMP粒子失去興趣，其它暗物質粒子“候選人”開始越來越獲青睞。其中為首的是一種叫做“軸子”（axion）的粒子。軸子質量極輕，可能只有質子的1031分之一。有幾項實驗正在對軸子展開研究。近期計算機模擬顯示，軸子也許會形成類似恆星的天體，而這些天體可能會產生可被探測到的、類似快速射電暴的輻射。
暗物質有哪些特性？
天文學家通過暗物質與普通物質間的引力作用發現了暗物質的存在，說明這是暗物質在宇宙中露面的主要途徑。但要弄清暗物質的本質，科學家卻步履維艱。一些理論認為，暗物質粒子應當是它們自身的反粒子，意味著兩個暗物質粒子一旦相遇、就會瞬間湮滅。自2011年起，國際空間站上的α磁譜儀實驗便一直在尋找這種湮滅訊號，迄今已探測到了數十萬次。科學家尚不確定這些湮滅訊號是否來自於暗物質，也尚且無法通過這些訊號進一步瞭解暗物質的本質。
每個星系中都存在暗物質嗎？
由於暗物質的質量遠超普通物質質量，暗物質常被說成維繫星系和星團的“控制力量”。但今年年初，天文學家發現了一個名叫NGC 1052-DF2的星系，其中似乎不含任何暗物質。耶魯大學的皮埃特·馮·多庫姆（Pieter van Dokkum）當時表示：“暗物質顯然不是形成星系的必需項。”然而在今年夏天，另一支研究團隊釋出了自己的分析結果，認為多庫姆的團隊對該星系的距離測量有誤，這意味著該星系中的可見物質其實比多庫姆聲稱的少得多，暗物質的質量則比其提出的多得多。
如何解釋DAMA/LIBRA實驗結果？
長時間以來，歐洲DAMA/LIBRA實驗的結果一直令粒子物理界的科學家們困惑不已。該探測器位於義大利格蘭薩索山的一處地下礦井中，一直在尋找暗物質粒子的週期性振盪現象。按理說，地球在公轉過程中，如果剛好從圍繞太陽系的暗物質星系流中穿過，就會發生這種振盪現象。自1997年來，DAMA/LIBRA實驗多次宣稱觀察到了這類振盪訊號，但其它實驗均未觀察到過。
暗物質是否帶電荷？
一個從宇宙之初發出的訊號讓一些物理學家認為，暗物質也許帶有電荷。宇宙初期、即大爆炸後1.8億年形成的恆星會發射波長21釐米的輻射。而這些輻射隨後又會被低溫氫吸收。今年二月探測到這一輻射訊號時，其譜線顯示，吸收輻射的氫的溫度比之前預想的還要低得多。哈佛大學天體物理學家朱利安·穆諾茲（Julian Muñoz）猜想，帶電荷的暗物質也許從氫中帶走了一部分熱量，就像飲料中的冰塊一樣。但這一猜想尚未得到證實。
普通粒子會衰變成暗物質嗎？
中子是一種壽命有限的普通粒子。過了14.5分鐘左右，一個單獨存在的中子就會衰變成一個質子、一個電子和一箇中微子。但在兩次不同的實驗中，得出的中子衰變時間略有區別，約相差9秒。今年年初有物理學家提出，如果中子衰變過程中，有1%的時間裡，部分中子會衰變成暗物質，就可以解釋這種異常差異了。美國新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室的克里斯托弗·莫里斯（Christopher Morris）及其團隊對中子進行了密切監測，希望找到可能為暗物質的訊號，但一無所獲。該研究認為，中子衰變也許還有其它解釋。
暗物質真的存在嗎？
由於科學家對暗物質的探測和解釋如此困難，自然有人猜測，這一切可能從一開始就是錯的。多年來，一直有少數物理學家認為我們的引力理論並不正確，基本力在大尺度上的運作機制與我們的猜想並不一致。有一種名叫“修正牛頓力學”的理論認為，根本不存在暗物質這種東西，恆星和星系的旋轉速度之所以比我們預先的要快，是因為引力的作用方式超出了我們的想象。用物理學家唐·林肯的話來說：“暗物質模型尚未得到證實。”但暗物質的反對者同樣無法證實他們的觀點。並且最新證據顯示，暗物質是確實存在的。