暗物質，或許可以是種超流體？

有些我們不知道的東西在做著我們不知道的事情。

——阿瑟·愛丁頓

80多年前，天文學家 Fritz Zwicky 在研究星系團的時候發現，為了防止單個星系從一個巨大的星系團中逃脫，就必須存在著大量看不見的物質提供額外的引力來源。這些看不見的物質被稱為暗物質。幾十年後，Vera Rubin 和 Kent Ford 利用暗物質來解釋為什麼星系自身沒有分崩離析。

暗物質的發現者。（圖片來源：Sandbox Studio）

儘管在這兩種情況下，我們都用了「暗物質」來解釋，但我們並不清楚是否是同一樣東西在起作用。最簡單又最流行的模型認為，暗物質是由移動緩慢的弱相互作用的粒子構成的。這種所謂的「冷」暗物質在解釋大尺度結構（比如星系團）時，表現的非常好。但是，它在單獨星系的旋轉曲線預測上，與觀測結果的吻合度並不高。如此看來，在星系尺度下，暗物質的行為似乎不太一樣。

為了解決這個難題，物理學家 Justin Khoury 和 Lasha Berezhiani 認為，在寒冷、高密度的環境下，暗物質會凝聚成超流體——一種具有零粘度的奇異物質的量子態。如果暗物質在星系尺度下形成超流體，就能產生一種新的力來彌補冷暗物質模型與觀測之間的不符。但是，在星系團的尺度下，形成超流體狀態所需的特別條件並不存在，因此暗物質的行為就如傳統冷暗物質一樣。

左邊：巨大的星系團之所以能夠束縛在一起是因為暗物質提供了額外的引力。在星系團中的暗物質粒子的運動比較隨機。右邊：單獨星系也需要額外的力才能維持，否則星系早就分崩離析。但是普通的暗物質模型無法完美地解釋這個力。一個稠密的星系暈中的暗物質可以被凝聚成超流體。而這個超流體可以提供額外的力。（圖片來源：Lucy Reading-Ikkanda）

如何形成超流體？

超流體在地球上並不常見。直到1938年，物理學家才開始在實驗室中製造出超流體。當粒子冷卻到足夠低的溫度時，它們的量子本質就開始顯現：粒子的物質波會散開並相互重疊，最終共同協調表現得就像是一個巨大的「超級原子」；它們會開始相干，就像是激光中有著相同能量和相同振動得光粒子。現在，即使是本科生也能在實驗室中製造出這種所謂的玻色-愛因斯坦凝聚(BECs)，其中很多都可以被分類為超流體。

最近，越來越多的人開始接受在太空中的極端條件下產生超流體相的可能性。一些物理學家認為超流體或許存在於中子星之內，還有一些物理學家懷疑時空本身就是超流體。那麼，為什麼暗物質不可以有超流體相呢？

要使一大堆的粒子形成超流體，需要兩個關鍵步驟：將這些粒子打包在一起使其具有很高的密度，再將它們冷卻至極低的溫度。在實驗室中，物理學家將粒子困在電磁阱中，並用激光將它們的動能移除，把溫度降低到剛好略微在絕對零度之上。

在星系內，電磁阱的角色由星系的引力擔任。在引力的作用下，暗物質會被擠壓在一起以滿足所需的高密度。溫度的要求則更容易實現：太空本身就是低溫的。

在星系暈之外，引力的作用較弱，暗物質無法被打包在一起形成超流體態。它們就會表現的像傳統認為的暗物質那樣，這符合天文學家在大尺度所看到的現象。

Justin Khoury，賓夕法尼亞大學的物理學家。（圖片來源：Perimeter Institute）

但是，暗物質是超流體有什麼特別的嗎？這個特別的態是如何改變暗物質的行為的？近些年來，科學家提出了一些類似的理論，但 Khoury 提出的途徑是獨一無二的，因為該理論解釋了超流體如何產生額外的力。

在物理學中，如果擾亂一個場，通常會產生波。例如在天線中搖晃一些電子，就會干擾電場，從而產生無線電波；兩個相互合并的黑洞會擾亂引力場，就會產生引力波；同樣地，如果超流體受到撥動，就會產生聲子——一種超流體自身的聲波。除引力外，這些聲子會產生額外的力，就跟帶電粒子間的靜電力類似。這個額外的力足以解釋星系暈中的令人困惑的暗物質行為。

一種奇異的暗物質粒子

為了搜尋到暗物質，科學家已為此奮鬥了幾十年。在所有的暗物質候選者中，「大質量弱相互作用粒子」（WIMPs）是最受歡迎的，也是科學家的主要追蹤目標。這是因為WIMPs不僅能夠解釋大多數的天文觀測，它們也自然而然的出現於粒子物理學的標準模型的擴展理論中。

根據理論，暗物質應該大量存在於宇宙之中，卻仍「拒絕」出現在專為尋找它們而設計的探測器和實驗之中。這令物理學家非常失望，每一次零結果的出現，都在逐漸削弱希望的火苗。漸漸的，有一部分物理學家開始將目光投向其它的暗物質候選者。

暗物質的候選者。（圖片來源：Sandbox Studio）

Khoury 和 Berezhiani 的理論中所需要的暗物質並不是類似WIMP的粒子。WIMPs的質量很大，大約是質子的100倍左右；若Khoury的理論能夠實現，暗物質粒子的質量必須要比這小十億倍。著也意味著遨遊在宇宙中的暗物質粒子的數量也會增加十億倍。這足以解釋觀測到的暗物質效應，以及達到形成超流體的條件。此外，普通的WIMPs之間不會產生相互作用，而暗物質超流體粒子則需要強烈相互作用的粒子。

最接近上述描述的候選者是軸子(Axion)——一種假想的超級輕的粒子。在理論上，軸子是可以形成玻色-愛因斯坦凝聚的。

但是標準的軸子也無法完全滿足 Khoury 和 Berezhiani 的需求。在他們的模型中，粒子之間存在著強且排斥的相互作用。而典型的軸子模型中相互作用通常是比較弱且相互吸引的。

重現MOND的預言

紫外線下的仙女座星系。（圖片來源：NASA）

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！