揭主宰宇宙的「黑暗幽靈」：或為惰性中微子

科學家在對宇宙微波背景輻射的觀測發現，根據重子物質構成理論，如果沒有暗物質介入，宇宙中無法演化出星系。騰訊科學訊（Everett/編譯）據國外媒體報道，科學家已經發現宇宙中存在大量的暗物質，除了暗能量外幾乎所有的宇宙質量都由暗物質提供，顯然暗物質是宇宙質量的「巨人」，支配著我們宇宙中的星系。傳統意義上暗物質可分為冷暗物質、熱暗物質以及溫暗物質，作為宇宙中看不見的質量，科學家試圖將暗物質納入標準模型之中，它影響著宇宙星系的演化、恆星誕生等一系列謎團。到目前為止，科學家已經進行了多種暗物質探測實驗，這些暗物質探索實驗或許讓人產生了某種聯想，比如義大利格蘭薩索國家實驗室進行的DAMA/LIBRA暗物質探測實驗、明尼蘇達素丹地礦國家公園地下深處進行了CDMS暗物質探索計劃等，當前使用較為廣泛的是低溫暗物質探測以及惰性液體探測器等。對於一位年輕理論宇宙學家而言，當前宇宙中有許多令人無法解釋的現象，根據現有的宇宙理論以及天文觀測結論，暗物質的確存在，我們需要重新思考這些統治宇宙神秘力量。宇宙中大約六分之五的物質是不可見的，早在1930年代，瑞士科學家弗里茨·茲威基就發現螺旋星系旋轉速度存在不明物質拉動，如果按照牛頓引力的計算，星系旋轉時最外側的線速度將過大，勢必將把整個星系拖垮，因此需要在一種龐大的介質作用下才能保證星系按目前觀測的速度旋轉，這些看不見的物質就是後來人們認為的暗物質。到了1970年代，科學家觀測收集到銀河系以及一些本地星系群中其他星系的旋轉曲線，曲線中的信息可得出在距離星系中央不同距離上天體運行的速度關係，如果星系外側天體旋轉的向心力由引力提供 ，那麼離星系中央越遠引力就越弱，旋轉的速度就會降低，而科學家的觀測卻發現邊緣天體的運行速度比理論要慢，這說明星系周圍存在大量暗物質。對於暗物質是否存在，科學家在對宇宙微波背景輻射（CMB）的研究也得到了證實。微波背景輻射是宇宙大爆炸後留存的「餘熱」，大爆炸之後經歷的暴漲時期使得宇宙逐漸冷卻，大爆炸損失的能量我們可以在微波波段上看到，CMB的發現也暗示了宇宙誕生於一場大爆炸，同時科學家也發現了一個值為十萬分之一的溫變，根據宇宙中重子物質構成理論，十萬分之一溫變形成的各項異性還不足以使星系在宇宙中出現，而引入暗物質後該問題就迎刃而解，星系可以在140億年的時間內大量形成。此外，科學家在對CMB譜密度主峰的測量發現了宇宙的幾何形狀，即宇宙空間接近平坦結構，證實了暴漲宇宙模型的預言。暗物質的成分一直以來是個未解之謎，科學家提出的理論中有一種被稱為大質量弱相互作用粒子，即WIMP粒子，其特點是擁有較大的質量，與周圍的物質不存在相互作用，因此我們可能通過電磁途徑探測到該粒子的信號，其對應的暗物質粒子或為冷暗物質。CDMS暗物質探索計劃的科學家曾經發現過類似WIMP粒子的蹤跡，義大利薩索國家實驗室進行的DAMA/LIBRA暗物質探測實驗發現暗物質粒子可能存在年周期性的變化。也有假說認為暗物質粒子是一類超對稱粒子，物理學家認為這些粒子的自旋差為1/2，其來自宇宙大爆炸，如果他們確實存在，歐洲大型強子對撞機就可能發現它們。目前，較為簡單的暗物質粒子超對稱理論已經被排除，科學家正在進一步驗證更複雜的超對稱模型，到了2015年，大型強子對撞機完成能量升級後將重新啟動，劍橋大學的粒子理論學家Ben Allanach認為如果在對撞機重啟後的未來一年還不能發現它們，該理論可能會被排除，而奇蹟是否會發生呢？義大利薩索國家實驗室的DAMA/LIBRA暗物質探測實驗已經證實了可能有暗物質粒子導致的周期性信號，帕梅拉衛星和國際空間站上的阿爾法磁譜儀 (AMS)也觀測到可能兩個大質量弱相互作用粒子（WIMP）碰撞的信號，但科學家認為其或是反物質粒子的行為，並不是我們所期望的暗物質粒子蹤跡。總體而言，對暗物質粒子的探索實驗存在諸多懷疑的觀點，曾經提出的多種可能性解釋被不斷地被排除。加州大學的宇宙學家邁克爾·伊蘭科爾欽去年針對冷暗物質模型進行了研究，模擬了矮球狀星系在冷暗物質粒子介入下產生的變化，它們是一類位於銀河系周圍的迷你星系，通過模擬科學家希望發現恆星是如何在充滿暗物質的環境下運行，並推測矮球狀星系中的暗物質總量。在1980年代，科學家在對中微子進行研究時發現這些速度接近光速的古怪粒子群足以解釋暗物質，但是之後的研究過度估計了該粒子的質量，基於中微子理論的熱暗物質與冷暗物質粒子存在相反的特性，即運行速度太快以至於無法介入諸如星系這樣的天體中。數年前，一組科學家發現暗物質並不太冷也不太熱，這些「溫」暗物質粒子可能是一類質量更大的中微子，即惰性中微子(sterile neutrino)，除了引力作用外幾乎無法探測到它們的行為。大型強子對撞機可能製造出惰性中微子與其他粒子碰撞的模型，如果溫暗物質是一種解決方案，那麼DAMA/LIBRA暗物質探測實驗可能處於一個錯誤的探索方向上。對於宇宙中的暗物質分配問題，科學家認為該過程需要大量的能量，超新星可能是這一能量的唯一來源，最新的研究稱暗物質粒子碰撞可形成明亮的伽馬射線閃光，但是到目前為止還沒發現此類信號。
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