構成暗物質的粒子，可能會是什么？

　　哈勃空間望遠鏡拍攝的NGC 1052-DF2，它幾乎不含暗物質（圖片來源：NASA）

　　你可能聽說過，宇宙中的物質大部分都是暗物質。這種不可見的物質能提供引力，讓星系保持高速自轉。幾十年來，對暗物質的搜尋從未中斷，但直到今天，科學家們依然沒有發(fā)現(xiàn)它的蹤跡。這時，一些科學家開始認為，接連不斷的失敗讓暗物質看上去越來越像一個多世紀前的以太。當時，狹義相對論徹底殺死了廣為流傳的以太假說；而今天，是否又會有理論再次扮演這個角色呢？

　　撰文 | 王昱

　　審校 | 吳非

　　當前宇宙學的標準模型是ΛCDM模型，它的全稱是Λ-冷暗物質模型（Lambda Cold Dark Matter Model）。顧名思義，它假設宇宙中存在暗物質。當前的宇宙學家都在默認ΛCDM模型的環(huán)境下接受教育，他們被告知宇宙中暗物質多于重子物質（即普通物質）。將最新的觀測數據帶入這個模型，可以計算出宇宙中重子物質占4.9%，暗物質占26.8%，暗能量占68.3%。

　　幾十年來，科學家們一直都在尋找暗物質。其中最有希望的候選體是大質量弱相互作用粒子（weakly interacting massive particles，WIMP），這種粒子只能通過弱相互作用和引力與其他物質產生作用，并且其質量比普通粒子大一些。但從來沒人發(fā)現(xiàn)過它。

　　本月初，在馬塞爾·格羅斯曼國際廣義相對論大會上，中國錦屏地下實驗室PandaX實驗（“熊貓”實驗）公布了PandaX-4T實驗的首個暗物質搜尋結果，人類又一次沒能找到暗物質。反而，基于PandaX-4T試運行95天的數據，暗物質反應截面的上限又被降低了，這意味著理論中的暗物質更難被發(fā)現(xiàn)了。

　　但是，在暗物質遲遲沒能被發(fā)現(xiàn)的同時，學界對ΛCDM模型的信心卻越發(fā)堅定。2014年版的《粒子物理學評論》[1]中寫道：“（宇宙學的）統(tǒng)一模型已經建立起來了，似乎沒剩下多少空間能對這個范式進行大幅度的修改?！边@一“flag”滿滿的言論很容易讓人想到一個多世紀前的“兩片烏云”。這一次，類似的情況會再次上演嗎？或者說，暗物質真的存在嗎？

　　暗物質與MOND理論

　　暗物質是在解釋星系自轉曲線（galactic rotation curve）的異常時被提出的。上世紀70年代，天文學家發(fā)現(xiàn)大量星系的旋轉速度和通過引力計算的不符。按照觀測到的物質的質量計算，在星系外圍，星系的旋轉速度應該下降。但觀測到的星系自轉速度卻比引力計算的要大。于是天文學家猜測，可能存在我們看不到的物質，它們包裹著星系，提供了額外的引力，讓星系自轉速度保持在較高水平。

　　不含暗物質星系的模擬（左）和含有暗物質星系的模擬（右）（視頻來源：Wikipedia）

　　這種我們看不見，卻又能提供引力的物質，就是暗物質。后來暗物質理論經過多次完善，逐漸形成了今天宇宙學的標準模型——ΛCDM模型。暗物質有很多種候選體，比如很輕的軸子（axion），也可能是很重的微型黑洞，或是難以被發(fā)現(xiàn)的中子星、白矮星，甚至是流浪行星。而最具希望，同時也是科學家一直在尋找的是WIMP。WIMP不會參與電磁相互作用，用電磁波進行觀測的天文學家根本不可能直接發(fā)現(xiàn)它；而它卻又能提供引力，維持著較高的星系自轉速度。然而，幾十年來對WIMP的搜尋，其結果不過是一次又一次地證明它的發(fā)現(xiàn)難度高于當時的技術水平。

　　對星系自轉曲線的異常來說，暗物質并非唯一的解法。還有一種理論名為修改的牛頓動力學（Modified Newtonian Dynamics），或者叫MOND理論。1983年，以色列魏茨曼科學研究學院的物理學家莫德采·米爾格若姆（Mordehai Milgrom）提出了這種理論。他指出在星系自轉曲線中，有兩點是暗物質無法解釋的。第一，自轉速度并不是簡單的大于引力的預測，而是在星系中心保持較為正常的水平，在遠離星系中心時才會不斷上升，最終趨向于一個穩(wěn)定值。這種現(xiàn)象被天文學家稱為“旋轉曲線的漸進平坦性”。第二，異常高的旋轉速度只有在引力導致的加速度低于一個特定的、非常低的值時才會出現(xiàn)。

　　這個特定的加速度值被米爾格若姆稱為a0，在太陽系內任何地方，太陽引力產生的加速度都高于這個值。在測量星系邊緣的自轉速度之前，天文學家從來沒有測量過如此微弱的引力。于是米爾格若姆認真考慮了在這一條件下，引力理論出現(xiàn)偏差的可能。

　　在1983年發(fā)表的3篇論文[2][3][4]中，米爾格若姆對牛頓引力進行了一個簡單的修正（在星系尺度上，由廣義相對論計算的引力可以被簡化為傳統(tǒng)的牛頓引力），并用修正后的牛頓引力重現(xiàn)了旋轉曲線的特性。幾十年來，MOND理論一直都是暗物質的替代理論。

　　理論間的競爭

　　兩種理論用完全不同的方法解釋了同一個現(xiàn)象。暗物質假定宇宙中存在我們看不見的物質，產生了額外的引力，它最可能的候選體是WIMP；而MOND理論則猜測根本沒有什么暗物質，是我們的引力理論在星系尺度上根本不適用。這兩種理論中，最多只能有一個是正確的。

　　通常，我們需要通過多種相互獨立的檢驗才能稱一個理論是正確的。比如，人類早就通過雙中子星PSR B1913+16繞轉時能量的損失，間接證明了引力波的存在。但是直到2016年LIGO宣布發(fā)現(xiàn)了引力波時，我們才能說人類發(fā)現(xiàn)了引力波。而MOND理論除了解釋星系自轉曲線之外，還能對星系的屬性做出預言。

　　天文學家布倫特·塔利（Brent Tully）和理查德·費希爾（Richard Fisher）在1977年發(fā)表的一篇論文[5]中，提出的一個經驗公式闡述了旋渦星系的光度與旋轉曲線最終趨向的穩(wěn)定值之間的關系。這個公式很容易就能被轉換成“旋渦星系所含重子物質和它在較遠距離上的自轉速度的4次方成正比”，這一關系被稱為重子塔利-費希爾關系（baryonic Tully-Fisher relation，BTFR）。而MOND理論恰巧就能精確導出BTFR。

　　暗物質則完全無法預測這種關系。如果想在ΛCDM模型的框架內重現(xiàn)BTFR，天文學家必須從宇宙早期開始模擬星系，模擬中的星系在經過一百多億年的演化后，或許能重現(xiàn)BTFR。但如果想嚴格重現(xiàn)BTFR，還要在模擬中加入非常嚴格的限制，并對旋渦星系的演化機制進行不那么嚴謹的修改。直到現(xiàn)在，堅持ΛCDM模型的宇宙學家還沒能通過模擬完美重現(xiàn)BTFR。

　　不復存在的阿克琉斯之踵

　　但既然如此，ΛCDM模型又為何能成為大多數天文學家認同的理論呢？這是因為MOND理論有一個無法回避的阿喀琉斯之踵——它沒能很好的符合宇宙微波背景輻射（CMB）的光譜。

　　宇宙微波背景輻射是現(xiàn)代天文學最重要的發(fā)現(xiàn)之一，它是宇宙大爆炸假說最重要的證據之一。宇宙學家魯思·杜爾（Ruth Durrer）曾說過：“一個理論必須和（CMB的）數據相符。這就是它的瓶頸。”ΛCDM模型能很好地利用CMB的光譜，它甚至能通過CMB的數據計算出宇宙中含有多少暗物質。相反，MOND理論在建立之初并不能做到這一點。

　　不過，這一現(xiàn)狀已經被改變了。就在去年，兩位捷克理論物理學家康斯坦丁斯·斯科迪斯（Constantinos Skordis）和湯姆·茲沃什尼克（Tom Z?o?nik）在預印本網站[6]上分享了他們對MOND理論的改進。他們在最大的宇宙尺度上添加了一個額外的場，相當于MOND理論的相對論版本（relativistic version of MOND），被稱為RMOND理論。RMOND理論無需暗物質，同時也能完美預言出CMB的細節(jié)。也就是說，（R）MOND理論的阿喀琉斯之踵已經不復存在。想讓RMOND理論被廣泛接受，只差臨門一腳。

　　不過，RMOND理論和ΛCDM模型一樣，兩者都還存在很多難以解釋的問題。比如，這兩者都難以完美預言星系團的運動。但是，ΛCDM模型的處境似乎更糟一些，它難以重現(xiàn)由觀測發(fā)現(xiàn)，并能用MOND理論導出的BTFR。而在這一前提下，屢次被降低的暗物質反應截面上限正讓ΛCDM模型變得愈加難以實現(xiàn)。

　　WIMP候選粒子的質量可能在質子質量的1倍到1萬倍之間?，F(xiàn)在，對WIMP的搜尋已經抵達了一個關鍵節(jié)點。不久之后，現(xiàn)有的大多數暗物質實驗將會尋遍WIMP理論上可能存在的質量范圍。如果到那時還沒有發(fā)現(xiàn)，要么是現(xiàn)有的探測手段根本無法發(fā)現(xiàn)WIMP，要么暗物質根本不是WIMP……要么，暗物質可能根本就不存在。

　　隨著實驗的推進，暗物質變成下一個“以太”的可能性正在增加。在未來RMOND理論是否又能成為一個世紀前的狹義相對論，為我們打開一段新的物理學的黃金時代？讓我們拭目以待。

歡迎掃碼入群！

深圳科普將定期推出

公益、免費、優(yōu)惠的活動和科普好物！