[비즈한국] 暗物質是宇宙中的幽靈，它不留下任何痕跡。暗物質的“暗”並不單純指顏色是黑色或陰暗。這意味著它既不發射也不吸收光，且完全不受以光為媒介的電磁力影響。嚴格來說，它可能更接近於一種“透明”的物質。
在現代天文學中，暗物質是構成宇宙最重要的要素之一。沒有暗物質，就無法解釋宇宙的樣貌。從表面上看，宇宙似乎是一個空曠的世界。僅靠明亮的恆星和氣體物質，很難解釋宇宙為何能保持如此堅固的形態。若要理解“比看起來更堅固”的宇宙，只能認為存在某種看不見的東西在發揮引力作用，支撐著宇宙不至於四散開來。
揭開暗物質真面目的責任現已從天文學家手中交接到了粒子物理學家手中。鑑於暗物質與光沒有任何相互作用，至少可以確定它不是由普通的質子、中子或電子構成的。它極有可能由我們尚不瞭解的完全不同的基本粒子組成。因此，在大型強子對撞機等粒子物理學的前沿陣地，正進行著一場追逐“幽靈”的盛大儀式。科學家們不斷讓接近光速的粒子相互碰撞，期待著幽靈能現身。遺憾的是，目前的“幽靈捕獲裝置”尚未捕捉到任何訊號。
難道需要更盛大的“降神術”嗎？僅僅讓兩個粒子碰撞還不夠嗎？隨著粒子物理學家屢屢受挫，天文學家再次出馬了。不愧是天文學家，手筆很大。他們不是隻讓兩個粒子碰撞，而是直接讓兩個巨大的星系團進行碰撞。當然，並非天文學家親自制造碰撞，而是仔細觀察宇宙空間中正在高速碰撞的兩個星系團的現場。
最典型的例子是距離我們37億光年遠的“子彈星系團”（1E 0657-56）。這裡被視為證明暗物質這一“幽靈”確實潛伏在整個宇宙中最有力的證據，也是讓那些否認暗物質的替代假說感到最絕望的現場。最近，詹姆斯·韋布空間望遠鏡重新審視了這處“暗之聖地”，並揭示了關於暗物質這一幽靈真相的重要線索。
即使星系團相互碰撞，其中的星系也很少會發生直接撞擊。星系團內的星系密度極低，相隔遙遠。因此，那些以高速衝向對方的星系團內的星系會直接穿過彼此。在碰撞瞬間，雖然它們會擦肩而過導致速度略微下降，但不會發生太大變化。
然而，星系團裡並非只有充滿星光的星系。在星系與星系之間的廣闊空間裡，分佈著熾熱的氣體物質。事實上，說星系團真正的主角不是星系而是氣體物質也不為過，因為氣體物質的總質量超過了星系的總質量。
氣體物質對碰撞非常敏感。當兩個星系團相撞時，各自包含的氣體物質也會發生碰撞。那一瞬間，與星系不同，氣體物質會在碰撞介面以高密度聚集並停滯。這導致溫度瞬間升至數百萬度，其強烈的能量甚至可以透過X射線觀測確認。若用錢德拉X射線天文臺觀測子彈星系團，就能看到沿碰撞介面分佈的高溫氣體物質。與穿過碰撞面繼續向前的星系分佈不同，透過X射線觀測到的氣體物質清晰地高密度聚集在碰撞介面上。
在觀測這類巨大的星系團時，總會伴隨著一種有趣的景觀，那就是引力透鏡產生的虛像。星系團內充斥著肉眼看不見但質量巨大的暗物質。其總質量使得周圍的時空發生扭曲。星系團背後的宇宙光線在穿過被星系團扭曲的時空傳向我們的過程中，其路徑也會發生彎曲。因此，遙遠背景星系的光會被觀測到呈環形畸變和扭曲狀。
透過在星系團周圍觀測到的引力透鏡現象，可以掌握暗物質的分佈情況。早在2004年，天文學家就利用哈勃空間望遠鏡觀測了子彈星系團周圍的引力透鏡影象，並掌握了包含暗物質在內的星系團總質量分佈。他們在這裡發現了一個驚人的事實。
照片中以藍色顯示的部分，正是透過引力透鏡分析得出的暗物質分佈。該分佈與之前透過X射線觀測確定的熾熱氣體物質分佈有著明顯的錯位。與在碰撞面高密度停滯並聚集的氣體物質不同，總質量分佈呈現出穿過碰撞面，並在兩側分離成兩個質量團塊的樣子。這被視為最強有力的證據，證明了像幽靈一樣與普通重子氣體沒有任何相互作用、直接穿過碰撞現場的暗物質確實作為一種物質存在著。
換句話說，這表明暗物質確實是由“無碰撞”（collisionless）粒子構成的。在碰撞面稍作停滯後，後續被暗物質拖拽穿過的氣體物質分佈，看起來就像子彈劃過空氣時產生的衝擊波。因此，這一現場被稱為“子彈星系團”。正如其名，這裡被視為暗物質最有力的“確鑿證據”（Smoking Gun）。
在假定暗物質這一幽靈之外，還有一種名為修正牛頓動力學（MOND）的替代假說，它假設引力的效能會根據引力作用的尺度而改變。具體來說，它修正了引力加速度較小尺度下的實際引力，使其比原有的牛頓力學引力稍強，從而試圖解釋為什麼星系外圍的恆星能以如此快的速度旋轉，彷彿被比看起來更強的引力所束縛。然而，即使是MOND也無法輕易解釋子彈星系團，因為子彈星系團所呈現的氣體物質分佈與總質量分佈之間的錯位程度實在太大了。僅僅在牛頓引力定律上新增一些微小的修正因子，很難產生如此顯著的差異。
最近，詹姆斯·韋布望遠鏡仔細審視了子彈星系團這一暗物質支持者的“聖地”。得益於遠超哈勃的效能，它甚至確認了以往觀測中未能看到的更小、更模糊的引力透鏡。在此次研究中，天文學家確認了140個以上子彈星系團的大型引力透鏡影象，並利用了隱藏其中的較小規模引力透鏡影象進行分析。透過整合這些不同尺度的引力透鏡影象，他們利用演算法更準確地掌握了星系團的總質量分佈，並重構了能夠解釋所有觀測到的引力透鏡影象的星系團質量分佈圖。
仔細觀察這次重構的全質量分佈圖，左側部分呈現出更加細長的橢圓形。這顯示了在形成當前子彈星系團的碰撞之前，左側星系團可能還經歷過另一次碰撞的可能性。
更重要的是，目前正在碰撞的各個星系團的總質量分佈，與各星系團包含的星光分佈幾乎完美重合。如果比較星系團內的明亮星系以及分佈在星系間空間的“星系團內光（ICL）”的分佈，會發現與透過引力透鏡分析得出的總質量分佈並無太大差異。這表明暗物質粒子確實不與其他恆星或氣體物質發生相互作用。甚至暗物質之間也不發生作用。
目前，天文學家正在探討一種名為“自相互作用暗物質（SIDM）”的假說，即暗物質之間也會發生微弱的碰撞和相互作用。在原有的冷暗物質模型中，暗物質被假設為甚至與自身都不發生任何相互作用、只受引力牽引的“引力白痴”幽靈粒子。但由於冷暗物質模型無法解釋一些宇宙學難題，科學家們開始考慮暗物質之間可能存在部分相互作用的可能性。
如果暗物質粒子確實存在相互作用，我們可以設定它們需要接近到何種程度才能產生感應的界限，即相互作用的最小截面。截面越大，意味著暗物質粒子比想象中更敏感，即使相隔較遠也能相互作用；反之，截面越小，意味著暗物質粒子非常遲鈍且膽小，只有擦肩而過時才能產生極微弱的相互作用。為了解釋本次詹姆斯·韋布觀測中發現的，在總質量分佈與星系團內總光分佈之間僅存在極其微小的偏差、實際上幾乎沒有巨大差異的情況，所需要的暗物質粒子截面數值非常驚人。
計算結果顯示，暗物質粒子的截面最大僅為0.5cm^2/g水平。這僅僅處於SIDM模型所提出的有效截面範圍的最低限。與普通的氫原子相比，就能知道這個截面有多小了。氫原子的單位質量截面為1.7×10^7cm^2/g。這意味著即使相隔甚遠，氫原子也能感知彼此併產生相互作用。
然而，根據此次觀測，如果暗物質粒子確實是SIDM，除非它們近到擦肩而過，否則幾乎感知不到對方，也不會產生任何相互作用。如果這是真的，暗物質粒子實際上就是一種“對誰都漠不關心的幽靈”，對其他普通粒子乃至自身都可有可無。這或許能解釋為什麼我們至今未能捕捉到它們的痕跡。不知道這對目前仍一無所獲的粒子物理學家們算不算一種安慰。
此次透過更深入觀察星系團碰撞現場而得出的研究結果，為那些試圖在實驗現場透過碰撞粒子來召喚暗物質的粒子物理學家們提供了有用的指導方針。因為它明確提出了尋找這種害羞且不與人互動的粒子需要達到什麼程度的界限，以及強子對撞機需要提升到何種地步的極限。
正如本次研究結果所示，暗物質粒子的截面單位使用了“單位質量（g）”除以質量的單位。這是因為我們尚不清楚暗物質粒子的確切質量。實際暗物質粒子的截面最終可能取決於該粒子有多重。此外，詹姆斯·韋布望遠鏡雖然解析度極高，但一次能看到的視野非常狹窄。因此，在此次分析中，天文學家只能專注於子彈星系團的中心部分。即將發射的下一代空間望遠鏡“南希·格蕾絲·羅曼（Nancy Grace Roman）”擁有更寬廣的視野。未來如果能結合羅曼望遠鏡的資料，我們將能在更廣闊的區域尋找更多的引力透鏡影象，從而繪製出更宏大的暗物質地圖。
遺憾的是，為了解釋我們的宇宙，依然需要暗物質。仍有一個幽靈在宇宙中徘徊。那就是名為暗物質的幽靈。
參考
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/add2f0
作者池雄培（音譯）簡介：熱愛貓咪和宇宙。兒時在看過《銀河鐵道999》後，立下了向世人傳達宇宙之美的夢想。目前在延世大學銀河進化研究中心及近宇宙論研究室，研究透過星系相互作用進行的演化，並進行演講和寫作等多種科學傳播活動。著有《썸 타는 천문대》（曖昧天文臺）、《하루 종일 우주 생각》（整天想宇宙）、《별, 빛의 과학》（星，光的科學）等書籍。