[비즈한국] 1994年7月，觀測木星的天文學家們目睹了驚人的一幕。此前在1992年接近木星時，受其強大引力影響而分裂成21塊碎片的蘇梅克-列維9號彗星，正朝著木星表面俯衝。木星的雲層表面留下了暗黑色的淤青狀痕跡。人們甚至捕捉到了彗星碎片墜落時，木星表面瞬間擴散出的明亮衝擊波。恰逢彗星碎片墜落在木星向陽面與背陽面的邊界處，使得衝擊波的景象顯得格外清晰。
然而，在木星背向太陽的暗夜面，能看到的或許不僅僅是彗星墜落留下的衝擊波痕跡。最近，天文學家們正探討一種可能性：在木星的夜側，或許能找到現代宇宙學長久以來的謎題——暗物質的蹤跡！
包括木星在內的太陽系外側巨型氣態行星，蘊含著大量的氫。氫是宇宙中含量最豐富的元素，佔宇宙總質量的75%。通常在恆星與恆星之間的星際空間中，氫以兩個氫原子結合的氫分子形式存在。這是在溫度極低的星際空間中也能保持穩定的形式。
但是，如果周圍存在像噴射高速氣流的黑洞，或者發出強烈紫外線的明亮恆星那樣向四周釋放強能量的天體，就可能存在另一種形式的氫。這就是由三個氫原子組成的氫分子離子（Trihydrogen cation, H3+）。通常，一個氫原子由中心的一個質子和一個電子組成。穩定的氫分子則由兩個這樣的氫原子聚集，共含有兩個質子和兩個電子。
然而，如果周圍有發出強光的天體，使其獲得強烈能量，氫分子中的一個電子就可能被剝離，形成氫分子離子（H2+）。這樣形成的氫分子離子與周圍殘留的其他普通氫原子重新結合，最終由三個氫原子組成，只丟失一個電子，呈三角形結構的氫分子離子。這種獨特形式的氫離子早在1911年物理學家J. J. 湯姆遜進行等離子體實驗時被偶然發現，從而為人所知。
木星上也存在氫分子離子。太陽發射的高能太陽風粒子直接傾瀉在木星雲層表面，從而產生了氫分子離子。特別是在木星正對太陽的明亮晝側，可以輕易檢測到氫分子離子。此外，木星還形成了強大的磁場。高能粒子順著磁場流向木星北極和南極聚集，正如地球上一樣，以極地為中心形成明亮的極光。而在極地周圍，也會產生更多的氫分子離子。相反，在背向太陽的木星暗夜面，由於缺乏刺激木星雲中氫原子的強能量源，原本預計幾乎不會有氫分子離子。
但事實未必如此！刺激木星雲中氫的能量源不一定非得是來自太陽的太陽風宇宙射線粒子。如果暗物質構成的未知粒子也是能量源之一呢？
暗物質最初是為了解釋星系中恆星異常快速的運動而引入的概念。它被推測為一種既不吸收也不反射光，與光沒有任何相互作用，但僅具有質量的未知物質。因此，它承擔著補充宇宙表象中所缺失引力的角色。暗物質的真面目至今尚未揭開。起初，暗物質是否像其他基本粒子一樣由微小粒子構成也尚不確定。
如果暗物質是由某種粒子組成的存在，我們就能抱有一絲希望。暗物質粒子最終可能也存在與之對應的反物質和反粒子。如果暗物質粒子與反粒子發生碰撞，兩者總質量會轉化為能量並同時消失，即“湮滅”過程。雖然暗物質粒子本身無法吸收或釋放光，但暗物質粒子與反粒子的湮滅可以在周圍宇宙空間留下足夠強的能量。實際上，一些天文學家曾試圖尋找這種暗物質湮滅時可能釋放的高能伽馬射線和X射線的痕跡。當然，該觀測也未找到明確證據。
暗物質通常出現在星系、星系團尺度上，用於解釋其中恆星和星系的運動。因此，人們常認為暗物質只存在於星系空間。但事實並非必然。我們的太陽系也是銀河系的一部分。如果在星系各處都散佈著暗物質，那麼作為其一部分的太陽系空間中自然也會滲入暗物質。而且，暗物質之間的湮滅可能在太陽系各處發生，留下強能量的痕跡。
在本次研究中，物理學家們關注了暗物質湮滅發生在木星等巨型氣態行星大氣層的可能性。如果發生這種情況，湮滅過程中釋放的強能量會刺激木星雲中的氫原子，透過上述過程形成極其不穩定的氫分子離子。如果在木星雲層中檢測到的氫分子離子比我們預期的水平更高，那就可能成為木星內部發生暗物質粒子間湮滅的間接證據。
當然，正如前面所解釋的，在木星產生氫分子離子的方式不止一種。雲層中的氫原子可能在遭到太陽風粒子撞擊時被電離，或者在順著木星強大磁場形成極光時也會產生。因此，有必要將純粹由暗物質湮滅釋放的能量所產生的氫分子離子，與透過這種常規方式產生的離子區分開來。
為此，本次研究關注了不受太陽光照射、背向太陽的木星陰暗夜側，特別是遠離極地、靠近赤道的低緯度夜面。如果即使在背向太陽的漆黑木星另一側、夜側的雲層中也能檢測到相當高水平的氫分子離子，那肯定意味著除了太陽光之外，還有其他未知的能量源在使氫原子電離！
木星的夜側真的存在氫分子離子嗎？事實上，這一觀測早在很久以前就嘗試過。前往土星的卡西尼號探測器於2000年12月在接近木星時進行了木星飛掠。當時，卡西尼號快速掃過了背向太陽的木星漆黑夜側。在此過程中，卡西尼號上搭載的感測器確認了木星雲層中氫分子離子的存在與否。
幸運的是，氫分子離子在我們日常可觀測的3~5微米紅外光譜範圍內會留下痕跡。因此，確定其存在與否及含量並不太難。但遺憾的是，當時的卡西尼號探測器並未在木星夜側發現任何痕跡。也就是說，根據卡西尼號的探測結果，在背向太陽的木星夜側並未檢測到氫分子離子！
那麼，本次研究中提出的將木星本身作為巨大暗物質探測器來使用的想法，豈不是完全落空了？不，最初在20多年前的2000年卡西尼探測中，已經確認木星雲層中檢測不到氫分子離子的情況下，為何現在又提出了這種想法呢？
有趣的是，卡西尼探測當時未能檢測到氫分子離子這一事實，反而可能成為明確尚屬未知的暗物質粒子特性的線索！
卡西尼號探測器在掃過木星當時沒有檢測到任何訊號，可能不是因為氫分子離子一個都沒有，而是因為其數量太少。木星雲中氫分子離子釋放的光強可能太微弱，未達到卡西尼探測器觀測裝置的最低靈敏度線。我們非常清楚卡西尼探測器的裝置能檢測到多大強度以上的訊號，即觀測極限。因此，反向應用這一極限，可以限定當時木星雲中氫分子離子訊號低於某個水平的範圍。也就是說，限制了可能正在木星內部發生湮滅的暗物質粒子最大程度能產生多少能量，確定了暗物質粒子可釋放的能量範圍！
暗物質粒子相互碰撞消失的湮滅過程能在木星上留下多少能量，主要由兩個因素決定。首先是每個暗物質粒子的質量。正如愛因斯坦展現質能等價原理的著名公式E=mc^2所示，質量即能量，能量即質量，湮滅瞬間消失的兩個暗物質粒子的總質量會原封不動地轉化為能量。因此，透過估算的暗物質粒子產生的能量範圍，可以確定暗物質粒子的質量範圍。
第二個因素是暗物質粒子之間碰撞的頻率。每個粒子碰撞的頻率、粒子運動路徑重疊的機率由粒子的橫截面積決定。如果每個粒子的橫截面積大，那麼彼此橫截面積重疊、碰撞的可能性就越高；如果橫截面積小，則不容易重疊，往往會擦肩而過。最終，木星內部暗物質粒子能釋放的總能量可以看作是由暗物質粒子的質量和每個粒子的橫截面積這兩個因素決定的函式。
由於之前的卡西尼號觀測中未檢測到氫分子離子訊號，我們可以假設木星內部暗物質粒子可能產生的能量量低於卡西尼探測器的觀測極限。在不超過卡西尼探測器裝置檢測極限的範圍內，透過多樣化變換虛擬暗物質粒子的質量和橫截面積，可以提出暗物質粒子的物理量可能處於什麼範圍！
這是一個非常驚人的進展。因為我們可以限定應該在什麼程度探索暗物質候選粒子，縮小了合理的範圍。不是盲目地在所有質量範圍、所有橫截面積範圍內尋找暗物質候選粒子，而只需要在某種特定的範圍內尋找。這對在實際實驗室現場為了尋找暗物質真面目嫌疑的候選粒子而努力了數十年的物理學家們來說，可以成為非常出色的指南！
此外，本次研究還提出了更有趣的指南。暗物質粒子一定要滲入我們太陽系內的行星中嗎？自然地，它也有可能滲入繞著太陽系外其他恆星執行的氣態系外行星中。如果在那裡面也發生了與木星類似的情況，即暗物質粒子間的湮滅，那麼在背向各自恆星的漆黑系外行星夜側，應該能檢測到更高水平的氫分子離子。暗物質粒子被推測在銀河系中越靠近引力強大的銀心，其密度越高、越密集。因此，如果可以的話，觀測存在於暗物質密度高的銀心附近的系外行星更有利。本次分析甚至對如果存在距離我們銀河中心分別300光年、3000光年處、擁有約10倍木星質量的沉重氣態系外行星，其系外行星大氣中能檢測到什麼水平的氫分子離子訊號進行了預測！
如果本次研究的主張確實正確，我們現在可以將木星、土星等巨型氣態行星本身利用為一個巨大的暗物質探測器。我們只需要在厚厚的雲層中尋找滲入氣態行星內部的暗物質粒子湮滅過程中釋放的能量痕跡即可。但有一個重要的侷限。如果要過濾出僅由暗物質粒子產生的痕跡，必須觀看背向太陽的氣態行星漆黑夜側。然而，在地球上看到的木星、土星等氣態行星，永遠只有反射著太陽光的明亮晝側。因此，無論用地面望遠鏡，甚至是繞著地球執行的哈勃、詹姆斯·韋布空間望遠鏡觀測，都看不到氣態行星背向太陽的“後腦勺”。
最終，為了將木星和土星利用為巨大的暗物質探測器，需要向其周圍派遣新的探測器，在經過背向太陽的漆黑夜側時進行直接確認。卡西尼號探測器也是20多年前訪問木星的老式探測器。現在已經是能夠發射搭載了能檢測到比那更微弱水平能量的、更先進探測器的探測器時代了。
當然，依然需要數年的漫長等待才能從地球到達木星和土星。但從天文學角度來看，能夠將數年內可以到達的、就在眼前的太陽系行星用作確認宇宙最大謎題——暗物質真面目的巨大實驗場，這確實是非常大的幸運。那些曾被認為只能在太陽系起源和行星演化等行星科學領域發揮作用的太陽系邊緣氣態行星，即將迎來成為解決更宏大宇宙學謎題的全新實驗舞臺的日子。
木星極地極光影片
https://www.youtube.com/watch?v=dplSgv6qlMk
https://esahubble.org/videos/heic1613a/
木星磁場影片
https://svs.gsfc.nasa.gov/4142
費米太空望遠鏡觀測結果影片，探索了推測銀心處暗物質粒子間湮滅可能釋放出的伽馬射線光痕跡
https://svs.gsfc.nasa.gov/11513/
銀心黑洞周圍密集、相互碰撞並快速繞行的暗物質粒子視覺化影片
https://svs.gsfc.nasa.gov/4183/
動畫，表現了暗物質候選粒子（WIMP，弱相互作用重粒子）相互碰撞並湮滅時釋放能量的過程
https://svs.gsfc.nasa.gov/10955/
參考
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.261002
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2015JA021097
作者池雄培（音譯）是誰？喜愛貓和宇宙。小時候看了《銀河鐵道999》後，懷揣了將宇宙的美麗傳播給大眾的夢想。目前在延世大學星系演化研究中心及近宇宙論研究室，研究透過星系相互作用的演化，並進行演講和寫作等多種科學傳播活動。著有《曖昧天文臺》、《整天想宇宙》、《星，光的科學》等書籍。