數十年探尋！物理學家能否揭開暗物質謎團？
宇宙的構成遠比我們肉眼所看到的複雜得多。雖然望遠鏡揭示了無數的星系，每個星系都包含數十億顆恆星，但物理學家和天文學家認爲，就像人們常說的那樣，可見物質只是冰山一角，某種看不見的暗物質也一定存在，約佔宇宙質量的 85%。沒人知道暗物質是由什麼構成的，但科學家們確信它是某種不與電磁輻射（如光）相互作用的東西，否則我們就能看到它。但數十年的搜索都未能直接探測到這種暗物質，這讓研究人員懷疑他們是否需要拓寬搜索策略，或者甚至重新思考引力是如何起作用的。
暗物質存在的案例可以追溯到 20 世紀 30 年代，當時天文學家分析星系的旋轉速度，發現可見物質的數量不足以解釋觀測到的旋轉速度。這些所謂的旋轉曲線，指的是繪製恆星移動速度與其到星系中心距離的函數關係，無法根據每個星系內可見的恆星、氣體和塵埃的數量來解釋。
從那時起，進一步的證據來自對星系團的研究。由於地球和星系團之間那些看不見的物質產生的引力影響，星系團的形狀可能會發生扭曲。這種效應被稱爲“引力透鏡”，進一步支持了暗物質的概念。偶爾，會觀察到星系團相互碰撞；對碰撞動力學的仔細觀察可以揭示出這對星系團中都存在看不見的物質。這種效應在所謂的子彈星系團中表現得最爲顯著，這是一對距離我們銀河系約 37 億光年的碰撞星系團，似乎顯示了星系團之間碰撞的結果。通過對碰撞的計算機模擬表明，暗物質和常規物質在驅動這一過程中發揮了同樣重要的作用。另一條證據來自對宇宙微波背景的觀測，這是早期宇宙遺留下來的輻射，可以用射電望遠鏡進行研究。這種輻射遍佈整個天空，顯示出“熱”和“冷”的斑點——輻射強度更強和更弱的區域，如果不引入暗物質的概念，很難解釋。
儘管這些觀測結果很有說服力，但它們都是間接的；研究人員仍然希望直接捕捉到暗物質粒子。
在過去的幾十年裡，主流理論認爲暗物質是由“弱相互作用大質量粒子”，即 WIMP 組成——這些基本粒子被認爲是在大約 140 億年前的大爆炸時產生的。如今這些粒子會散佈在宇宙中，但由於它們與普通物質的相互作用很弱，所以極難探測到。雖然許多複雜的實驗一直在尋找 WIMP，但是卻沒有出現明確的蹤跡——這導致一些科學家懷疑暗物質是否完全由其他東西組成。
“我認爲 WIMP 正在失寵，”多倫多約克大學的理論物理學家肖恩·圖林說。雖然對這些難以捉摸的粒子的搜索仍在繼續，他說他的許多同事“非常樂意探索其他的可能性。”
如今，科學家們正採用更爲廣泛的搜索策略，同時列出更長的潛在暗物質候選名單，力求破解這個已存在近百年的謎團。
8 月，位於南達科他州桑福德地下研究設施的 LUX-ZEPLIN 實驗的研究人員宣稱，他們已經排除了質量約爲一個質子十倍以上的弱相互作用大質量粒子（WIMP）。
麻省理工學院的理論物理學家特蕾西·斯拉蒂爾（Tracy Slatyer）表示，LUX-ZEPLIN 的結果“堪稱一次精彩絕倫、技術精湛的絕技展示”。
多倫多大學的實驗物理學家米里亞姆·戴蒙德（Miriam Diamond）稱：“最終，我們會處於中微子的（信號）背景實際上將暗物質信號淹沒的境地。”
隨着研究人員與這個中微子下限的距離越來越近，他們自然而然地開始考慮除弱相互作用大質量粒子（WIMP）之外的其他暗物質候選對象。
斯拉蒂爾說：“曾經有那麼一段時間，人們非常篤定[暗物質粒子]就是 WIMP，這種說法在當時還不錯。”
但我覺得如今沒人再堅信它絕對得是 WIMP 了。
許多其他潛在的暗物質候選對象已被提出，比如被稱作軸子的奇異粒子、原初黑洞，還有一種被假設的新型中微子，叫做惰性中微子。
戴蒙德說：“我們得考慮到我們所說的‘暗物質’實際上有可能是多種類型的暗物質粒子這種想法。”
這有點像《寶可夢》，你得把它們全都抓住。
軸子於 20 世紀 70 年代首次被提出假設，當時物理學家正在開發粒子物理學標準模型——這個描述已知基本粒子及其相互作用的框架。
如同弱相互作用大質量粒子（WIMPs）一般，軸子被認爲誕生於宇宙的極早期。
隨着時間的流逝，它們會聚攏到一塊兒，這些團塊日益增強的引力會引領星系的演化——這跟人們所認爲的暗物質所發揮的作用相同。
但軸子被認爲比弱相互作用大質量粒子更輕，所以同樣難以捉摸且難以探測。
“軸子在早期宇宙中自然生成，其數量足以闡釋當下所有的暗物質，”斯坦福大學的理論物理學家彼得·格雷厄姆（Peter Graham）說道。
“它們比弱相互作用大質量粒子輕很多這一情況，僅僅意味着它們的數量密度得高很多，才能夠具備所觀測到的暗物質能量密度。
如今，各個實驗室都在尋找軸子，但迄今尚無明確結果。
當物理學家於實驗室裡尋覓暗物質時，天文學家有着他們自身在深空中探尋暗物質證據的策略。
他們的觀測顯示，包括咱們所在的銀河系在內的大多數星系都被暗物質“暈”所環繞——暗物質的球形外殼遠遠超出了星系的可見區域。
雖說這些暈是看不見的，但是星系裡的暗物質依舊能夠間接進行研究。
例如，新一代太空望遠鏡將尋找暗物質粒子相互碰撞的跡象；這種碰撞會產生高能輻射爆發，可以用伽馬射線望遠鏡觀測到。另一種策略是研究我們銀河系附近被稱爲“恆星流”的帶狀恆星羣。追蹤這些恆星流的位置和運動可以揭示暗物質在星系中的分佈情況。
“許多粒子物理學家正在變成天體物理學家，因爲那兒有很多跟暗物質相關的有趣謎題，並且還會有大量新的數據即將涌現，”圖林說道。
另一種可能性——被視作成功機率不高——是暗物質實際上並不存在，而是關於引力存在一些我們不太理解的東西。我們關於引力的最佳理論是廣義相對論，由阿爾伯特·愛因斯坦在 100 多年前提出；到目前爲止，它在每一次測試中都表現出色。但這並未阻攔一些理論家提出應當對其予以調整：也許如果愛因斯坦的方程稍作調整，暗物質問題就會迎刃而解。沒有弱相互作用大質量粒子（WIMPs），沒有軸子——只是對一些有百年曆史的方程進行微調。但研究過暗物質證據的物理學家表示，事情並非那麼簡單。雖然修正的引力理論可能解釋星系的旋轉曲線，但他們表示，沒有直接的方法來解釋來自星系團觀測、引力透鏡和宇宙微波背景的數據，所有這些都指向看不見的暗物質。
“我認爲修正引力很有吸引力，因爲它似乎比假設存在一整個其他類型的粒子更簡單——但我認爲這實際上是一個錯誤的論點，”圖林說。“要讓修正的引力理論生效，你所需跨越的難關實際上比單純假定宇宙存在這個額外的組成部分要複雜得多，而這個額外的組成部分在解釋許多不同的觀測結果方面效果非常好。”
當下，物理學家似乎一方面爲最新實驗的精度而興奮——長期備受青睞的 WIMPs 仍未被否定——另一方面又因即便歷經數十年的探尋仍缺少任何確鑿的實驗室成果而沮喪。
對於許多天文學家和物理學家來說，理解暗物質是推動他們研究的最緊迫問題。斯拉蒂爾表示，至少，解開暗物質之謎將會揭示宇宙的基礎物理學。“我認爲，如果我們能夠解決這個問題，這將是人類好奇心的一項偉大成就，”她說。“顯然，我更希望是七年而不是七十年。”