[비즈한국] 天文學是光的科學。望遠鏡全都是在觀察從宇宙中射出的“光”。因此，天文學中存在一種令人極其頭疼的物質，那就是暗物質。暗物質偏偏既不發光，也不吸收光。它與光沒有任何相互作用。因此，對於觀測光的望遠鏡來說，暗物質幾乎等同於不存在。雖然為了解釋宇宙必然需要假設暗物質的存在，但在最初就沒有辦法觀察到它。至少對天文學家而言是這樣。
正因如此，近幾年來，尋找暗物質真面目的嘗試大多來自於粒子物理學，而非天文學。科學家們進入地底深處安裝探測器，等待暗物質粒子偶然經過時留下的痕跡。或者在巨大的粒子加速器中不斷讓質子發生碰撞，等待出現意外的能量缺失或過剩。這些實驗之所以選擇進入地底深處，是因為要儘可能避開其他宇宙射線和粒子的干擾。
那麼，乾脆去往地球之外如何？不僅可以避開地表人類產生的噪音，還能更清晰地捕捉到宇宙中暗物質的訊號。最近，甚至進行了一項大膽的實驗，將詹姆斯·韋布空間望遠鏡（JWST）當作暗物質探測器來進行測試。
等等，這難道不奇怪嗎？詹姆斯·韋布分明是一臺望遠鏡。它是觀測光的工具，不，是隻觀測光的工具。那麼到底如何將詹姆斯·韋布用作暗物質探測器呢？這個想法確實非常新穎。
望遠鏡是如何拍照的？宇宙中的光射入並接觸到探測器時，電子會彈出併產生電流。事實上，望遠鏡相機並不是直接拍攝光本身，而是透過感應光照下產生的電流來生成影象。光線越強，產生的電流就越強。然而，由於望遠鏡探測器並非完美，出於極其實際的原因，會產生另一種噪音。望遠鏡探測器不僅會感應星光，也會因為熱量產生電流。因此，對望遠鏡而言，冷卻始終至關重要。如果望遠鏡本身變熱，就會產生非星光引起的熱流，導致觀測資料被汙染。
所以，在用望遠鏡觀測時，人們有時會故意關閉快門拍攝“黑圖”。這樣可以在遮蔽掉外界天空光線影響的情況下，識別出望遠鏡內部熱量產生的自身噪音。之後，在拍攝實際夜空照片時扣除掉之前識別出的純自身噪音，就能獲得汙染最小、更乾淨純粹的資料。將詹姆斯·韋布作為暗物質探測器的構想，正是源於此。
在這次嘗試中，天文學家們給詹姆斯·韋布的其中一個NIRSpec探測器蓋上了一個不透明濾鏡。徹底阻斷了進入感測器的光線。相當於關閉了詹姆斯·韋布相機的快門。在那種狀態下，探測器感應到了微弱的自身噪音。人類很久以前就開始使用包括CCD在內的、將光轉換為電流的感測器。不僅是望遠鏡相機，智慧手機和數碼相機也都是基於同樣的原理運作。因此，我們非常清楚望遠鏡探測器應該以何種形式產生噪音，並可以進行建模。我們可以知道在望遠鏡自身的熱量、從宇宙射入的強烈宇宙射線粒子等影響下，詹姆斯·韋布探測器的每個畫素應該檢測到多少電荷。
但如果實際關閉詹姆斯·韋布的快門進行實驗時，檢測到的電荷比預想的要多呢？這可以看作是有某種我們完全無法理解的東西刺激瞭望遠鏡探測器。重要的是，這項實驗是在關閉詹姆斯·韋布快門的狀態下進行的。也就是說，普通的光絕對無法進入。星光、星系光，任何普通光線都無法成為原因。唯一可能的是，能夠直接穿透探測器快門並觸及探測器的幽靈般的存在，即暗物質。這次實驗中，將詹姆斯·韋布整體作為暗物質探測器的構想正是如此。
這個新穎的實驗結果如何？這張圖表顯示了詹姆斯·韋布在NIRSpec快門關閉狀態下收集到的電荷分佈。這是一個直方圖，展示了探測器每個畫素檢測到了多少電荷。觀察天藍色的直方圖，可以看到從電荷較少的畫素到較多的畫素平滑增長又減少，呈現出與正態分佈相似的形態。此處，藍色線條是排除暗物質效應後，純粹的自身噪音分佈。比較天藍色直方圖和藍色曲線，實際上幾乎沒有差異。也就是說，在關閉詹姆斯·韋布的“眼睛”所進行的這場新穎實驗中，也並沒有發現暗物質粒子的痕跡。
那麼這次實驗失敗了嗎？從結果來看，因為沒能捕捉到暗物質訊號，或許可以這麼認為。但這並不一定。相反，這正是重要的線索，告訴了我們在尋找暗物質時，不是應該看哪裡，而是哪裡不需要看。這張圖表非常有趣。它展示了我們尋找的暗物質候選粒子的物理量分佈。橫軸表示暗物質粒子的質量水平和能量水平。縱軸表示暗物質粒子之間相互作用的難易程度，即有效截面。截面越大，意味著即使距離較遠也能輕易發生相互作用。然而，這張圖表中帶顏色的區域代表透過各種實驗和觀測已被排除的區域。也就是說，暗物質粒子無法存在於帶顏色的區域內。
有趣的是，至今人類一直在尋找暗物質未果，實際上是在進行一項將暗物質“不應該存在的地方”剔除出去的工作。透過尋找並排除暗物質粒子無法存在的物理量範圍，例如質量應該在某種程度以上或以下，截面應該在某值以上或以下等，正在像排除法一樣不斷擠壓暗物質粒子的生存空間。
關閉詹姆斯·韋布快門所進行的有趣嘗試，在圖表上新增了另一個藍色的排除區域。這再次縮小了暗物質可以逃避的空間。暗物質隱藏在圖表中尚未上色的白色區域內的機率變得更高了。
這種一點點排除暗物質無法存在的物理量範圍的過程，可以從兩個方面來解讀。可以看作是我們不斷縮小暗物質的逃避範圍，收緊搜尋範圍的過程。這能減少浪費時間去尋找毫無意義的區域。也可以認為，隨著不斷壓迫暗物質的物理量範圍，最終將能夠找出一直隱藏在最後的傢伙。
或者也可以認為，根本不存在所謂的暗物質，但人類卻在不知道這一點的同時，做著一點點縮小白色區域的愚蠢行為。或許是因為白色區域裡本來就什麼都沒有，卻在自我安慰地透過一點點塗掉白色區域，認為沒塗顏色的地方一定藏著什麼東西。
在獵取暗物質的過程中，天文學和粒子物理學緊密相連。天文學是光的科學，因此很難直接看到不發光的暗物質。但它可以透過可見的事物，為看不見的存在應該具備哪些特徵，或者不應該具備哪些特徵提供指南。那麼，地球上的粒子物理學家就會基於這些指南設計捕獲暗物質的陷阱。
追蹤暗物質的過程代表了現代天文學所蘊含的最基本的哲學，即所謂的“宇宙論認識”。我們現在知道，所有可見的事物都受到所有不可見事物的影響，所有已知的事物都與所有尚未知曉的事物相連。暗物質是看不見的。所以我們才沒有開啟望遠鏡的快門，而是選擇關閉它來試圖觀察暗物質。必須閉上睜開的眼睛。閉上眼睛才能看見，那正是暗物質的本質。
參考
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/s2q8-rzb3
作者池雄培（Ji Ung-bae）是誰？他熱愛貓和宇宙。童年時在看了《銀河鐵道999》後，立下了向世人傳達宇宙之美的夢想。目前作為世宗大學自由專業學部助理教授，進行講座、寫作等多種科學傳播活動。著有《每天一片宇宙》、《星光閃耀的宇宙科學家們》、《雖無法觸及卻能瞭解》、《仰望宇宙時產生的奇怪問題們》等書籍，並翻譯了《給真正太空旅行者的指南》、《我是如何殺掉冥王星的》、《量子生活》、《Cosmigraphic》等書。