星光映射出暗物質的分布圖，磁子可揭示輕質暗物質粒子？

作者：文/虞子期

我們都知道，一個星系所形成的「引力膠」力量大小，會跟該星系的質量有直接關係。當星系的質量越大，這股力量也就越強大，哪怕是移動速度最快的星系，也無法逃脫這些力量的牽引。早在 20世紀30年代的時候，科學家們就通過星系團的觀測發現，在宇宙中存在一種結構龐大的物質，但它們並沒有與光發生相互作用。從研究人員之前所觀察到的質量來看，宇宙中那些數十億年就應該被分裂的星系，被無法看到的物質聚集在了一起，而這一切疑惑，只有暗物質才能解釋。

宇宙中最具有神秘色彩的事物，暗物質一定算得上是其中一個，它的質量達到了宇宙總質量的80%，其存在是解釋當前宇宙結構的必要條件，並且，已經在很長一段時間內依附於星系。而那些由數以萬億計的暗物質粒子所組成的巨大「光環」，就是每個星系的棲息地 。但由於該物質只通過重力和其他物體相互作用，這讓科學家們也無法直接探測其構成。但只要我們將視線放到更廣闊的宇宙，總會看到很多暗物質存在的證據，因此，關於它的一切研究，都需要通過周圍星系和恆星的運動來進行追蹤。那麼，科學家們又是如何揭開暗物質的神秘面紗？

磁子可揭示輕質暗物質粒子

在宇宙探索領域中，捕獲暗物質是科學家們的一個重要課題，世界各地的實驗室都在試圖通過自己的方式，捕捉到一個雜散的暗物質粒子。然而，造成放射性衰變的弱核力，不管暗物質粒子是什麼都可能感覺到，科學家們建造一個的探測器，而參與實驗的是大量的任何元素。但這項實驗有一個前置條件，那就是暗物質粒子必須相對較重，方才足以使其在這種罕見的相互作用中敲除核子。雖然迄今為止暗物質探測器仍然沒有找到這種作用的痕迹，但卻因此而越來越了解什麼不是暗物質。當然，沒有一個確切的結果總會讓人充滿疑慮。科學家們又研究出了一種擬議的實驗裝置，即使可疑粒子本身特別輕，它可以在改變電子自旋的過程中，在材料中創建磁振，以檢測到暗物質粒子的存在。

由於實驗的靈敏度和相互作用的性質，這種設置可以檢測輕質暗物質粒子。當一大塊材料處於絕對零度的溫度，所有微小的小磁棒在旋轉的時候，電子都將指向同一方向；只有當溫度慢慢升高後，一些電子才會開始被喚醒擺動，並隨機指向相反的方向旋轉。當溫度升高的幅度越大，電子被捲起的次數越多，並且每次翻轉都會讓磁場強度相對降低。而每個翻轉的旋轉，都會在材料的能量中產生一絲波紋，這些擺動並不是真正意義上的粒子，但卻可以看作是准粒子。因為它們跟小巧可愛的小磁鐵很像，所以這些准粒子也被科學家們稱為「磁子」，如果實驗的一開始，就是一個非常冷的材料，並且過程中有足夠的暗物質粒子撞擊材料，並翻轉一些旋轉，那麼，你就能夠觀察到磁鐵。

在死亡星系中暗物質有不同表現

在科學家們對暗物質暈的行為進行建模時發現，一般情況下這些結構都會形成某些形狀，比如暗物質的「尖點」分布現象，在星系中心的密集暗物質球周圍，也同樣充滿了陰雲密布的物質。然而，在許多星系的行為中，似乎更多得是暗物質在繞一個「核心」的同時，也圍繞著銀河系的外圍運行。天文學家對這樣的尖端核心問題，可以通過被稱為「自相互作用暗物質」（SIDM）模型解釋，以說明暗物質並不在我們能夠直接檢測和理解的物理學的範疇，並且，它還作用於自身未知的力量。如果暗物質和普通物質之間的相互作用，和它與自身的相互作用有所不同，便能夠解釋暗物質是怎樣從星系中心向邊緣移動。但科學家們又通過新的研究表明，或許正是這樣得解釋使事情本身被過於複雜化。

暗物質彌補了宇宙中的大部分質量，不發光卻能通過重力牽引一切，並且，大部分暗物質存在於「暈圈」或星系內的雲中。科學家們對大致分為兩類的16個矮星系進行了研究，它們分別是數十億年前就已經停止形成恆星的星系，以及最近才停止形成或仍在形成恆星的星系。通過研究數據發現，往往年齡較小且活動較少的星系，它的中心區域有大量暗物質，也更傾向於有暗物質尖點，而那些更活躍的星系卻只有空核心。在暗物質的行為方面，這項新發現具有重要意義，它的結果表明了暗物質加熱真實存在，而在很久以前就停止形成恆星的星系中，並沒有能量將暗物質從銀河系中心推出。並且，這些情況下的暗物質行為方式與簡單模型所預測的方式一致。

星光映射出暗物質的分布圖

如果將暗物質的龐大程度用一個生活中的實例來體現，那麼，暗物質在整個宇宙中的含量，就相當於是構成你和我、岩石、樹木，以及恆星等「正常物質」的六倍左右。但是，科學家們對暗物質仍然難以研究，顧名思義，由於暗物質並不會發出任何光，天文學科學家也只能通過研究星團如何扭曲其背後物體的光線，以映射出在大質量星系團中的暗物質分布情況，而這種現象就是所謂的引力透鏡。那些已經從它們的自然星系中撕裂、並漂浮在巨大星系團內的恆星，便稱為了暗物質的探測器。這是一種繪製神秘暗物質分布圖的新方法，簡而言之，科學家們通過觀察暗物質對正常物質的引力作用，其中包含「正常」物質和暗物質的巨大星團，這就好比是一個宇宙放大鏡，能使其背後物體的視野變形。

科學家們通過NASA哈勃太空望遠鏡，看到了星系團Abell S1063，並在星系團中發現了非常微弱的光線，而正是這些光線映射出了暗物質的真實分布情況。研究人員對六個不同星系團的哈勃太空望遠鏡圖像進行了分析得出，發出內部光線的恆星提供了一種更好的方法， 天然後利用這種「引力透鏡效應」來計算出了星系團中暗物質的分布。在下圖的哈勃太空望遠鏡圖像中，藍色可見部分便顯示了星系團MACS J0416中的星內光，並且，「深場圖像」可以相對更容易地研究集群內光。與此同時，這也意味著在不久的將來，科學家們可以將數據集擴展到這六個星系團之外，這便意味著或許會有一些令人興奮的可能，在未來的時間裡，研究人員將研究數百個星系團，以此探測關於暗物質的更多事實。

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