[비즈한국] 暗物质是宇宙中的幽灵，它不留下任何痕迹。暗物质的“暗”并不单纯指颜色是黑色或阴暗。这意味着它既不发射也不吸收光，且完全不受以光为媒介的电磁力影响。严格来说，它可能更接近于一种“透明”的物质。
在现代天文学中，暗物质是构成宇宙最重要的要素之一。没有暗物质，就无法解释宇宙的样貌。从表面上看，宇宙似乎是一个空旷的世界。仅靠明亮的恒星和气体物质，很难解释宇宙为何能保持如此坚固的形态。若要理解“比看起来更坚固”的宇宙，只能认为存在某种看不见的东西在发挥引力作用，支撑着宇宙不至于四散开来。
揭开暗物质真面目的责任现已从天文学家手中交接到了粒子物理学家手中。鉴于暗物质与光没有任何相互作用，至少可以确定它不是由普通的质子、中子或电子构成的。它极有可能由我们尚不了解的完全不同的基本粒子组成。因此，在大型强子对撞机等粒子物理学的前沿阵地，正进行着一场追逐“幽灵”的盛大仪式。科学家们不断让接近光速的粒子相互碰撞，期待着幽灵能现身。遗憾的是，目前的“幽灵捕获装置”尚未捕捉到任何信号。
难道需要更盛大的“降神术”吗？仅仅让两个粒子碰撞还不够吗？随着粒子物理学家屡屡受挫，天文学家再次出马了。不愧是天文学家，手笔很大。他们不是只让两个粒子碰撞，而是直接让两个巨大的星系团进行碰撞。当然，并非天文学家亲自制造碰撞，而是仔细观察宇宙空间中正在高速碰撞的两个星系团的现场。
最典型的例子是距离我们37亿光年远的“子弹星系团”（1E 0657-56）。这里被视为证明暗物质这一“幽灵”确实潜伏在整个宇宙中最有力的证据，也是让那些否认暗物质的替代假说感到最绝望的现场。最近，詹姆斯·韦布空间望远镜重新审视了这处“暗之圣地”，并揭示了关于暗物质这一幽灵真相的重要线索。
即使星系团相互碰撞，其中的星系也很少会发生直接撞击。星系团内的星系密度极低，相隔遥远。因此，那些以高速冲向对方的星系团内的星系会直接穿过彼此。在碰撞瞬间，虽然它们会擦肩而过导致速度略微下降，但不会发生太大变化。
然而，星系团里并非只有充满星光的星系。在星系与星系之间的广阔空间里，分布着炽热的气体物质。事实上，说星系团真正的主角不是星系而是气体物质也不为过，因为气体物质的总质量超过了星系的总质量。
气体物质对碰撞非常敏感。当两个星系团相撞时，各自包含的气体物质也会发生碰撞。那一瞬间，与星系不同，气体物质会在碰撞界面以高密度聚集并停滞。这导致温度瞬间升至数百万度，其强烈的能量甚至可以通过X射线观测确认。若用钱德拉X射线天文台观测子弹星系团，就能看到沿碰撞界面分布的高温气体物质。与穿过碰撞面继续向前的星系分布不同，通过X射线观测到的气体物质清晰地高密度聚集在碰撞界面上。
在观测这类巨大的星系团时，总会伴随着一种有趣的景观，那就是引力透镜产生的虚像。星系团内充斥着肉眼看不见但质量巨大的暗物质。其总质量使得周围的时空发生扭曲。星系团背后的宇宙光线在穿过被星系团扭曲的时空传向我们的过程中，其路径也会发生弯曲。因此，遥远背景星系的光会被观测到呈环形畸变和扭曲状。
通过在星系团周围观测到的引力透镜现象，可以掌握暗物质的分布情况。早在2004年，天文学家就利用哈勃空间望远镜观测了子弹星系团周围的引力透镜图像，并掌握了包含暗物质在内的星系团总质量分布。他们在这里发现了一个惊人的事实。
照片中以蓝色显示的部分，正是通过引力透镜分析得出的暗物质分布。该分布与之前通过X射线观测确定的炽热气体物质分布有着明显的错位。与在碰撞面高密度停滞并聚集的气体物质不同，总质量分布呈现出穿过碰撞面，并在两侧分离成两个质量团块的样子。这被视为最强有力的证据，证明了像幽灵一样与普通重子气体没有任何相互作用、直接穿过碰撞现场的暗物质确实作为一种物质存在着。
换句话说，这表明暗物质确实是由“无碰撞”（collisionless）粒子构成的。在碰撞面稍作停滞后，后续被暗物质拖拽穿过的气体物质分布，看起来就像子弹划过空气时产生的冲击波。因此，这一现场被称为“子弹星系团”。正如其名，这里被视为暗物质最有力的“确凿证据”（Smoking Gun）。
在假定暗物质这一幽灵之外，还有一种名为修正牛顿动力学（MOND）的替代假说，它假设引力的效能会根据引力作用的尺度而改变。具体来说，它修正了引力加速度较小尺度下的实际引力，使其比原有的牛顿力学引力稍强，从而试图解释为什么星系外围的恒星能以如此快的速度旋转，仿佛被比看起来更强的引力所束缚。然而，即使是MOND也无法轻易解释子弹星系团，因为子弹星系团所呈现的气体物质分布与总质量分布之间的错位程度实在太大了。仅仅在牛顿引力定律上添加一些微小的修正因子，很难产生如此显著的差异。
最近，詹姆斯·韦布望远镜仔细审视了子弹星系团这一暗物质支持者的“圣地”。得益于远超哈勃的性能，它甚至确认了以往观测中未能看到的更小、更模糊的引力透镜。在此次研究中，天文学家确认了140个以上子弹星系团的大型引力透镜图像，并利用了隐藏其中的较小规模引力透镜图像进行分析。通过整合这些不同尺度的引力透镜图像，他们利用算法更准确地掌握了星系团的总质量分布，并重构了能够解释所有观测到的引力透镜图像的星系团质量分布图。
仔细观察这次重构的全质量分布图，左侧部分呈现出更加细长的椭圆形。这显示了在形成当前子弹星系团的碰撞之前，左侧星系团可能还经历过另一次碰撞的可能性。
更重要的是，目前正在碰撞的各个星系团的总质量分布，与各星系团包含的星光分布几乎完美重合。如果比较星系团内的明亮星系以及分布在星系间空间的“星系团内光（ICL）”的分布，会发现与通过引力透镜分析得出的总质量分布并无太大差异。这表明暗物质粒子确实不与其他恒星或气体物质发生相互作用。甚至暗物质之间也不发生作用。
目前，天文学家正在探讨一种名为“自相互作用暗物质（SIDM）”的假说，即暗物质之间也会发生微弱的碰撞和相互作用。在原有的冷暗物质模型中，暗物质被假设为甚至与自身都不发生任何相互作用、只受引力牵引的“引力白痴”幽灵粒子。但由于冷暗物质模型无法解释一些宇宙学难题，科学家们开始考虑暗物质之间可能存在部分相互作用的可能性。
如果暗物质粒子确实存在相互作用，我们可以设定它们需要接近到何种程度才能产生感应的界限，即相互作用的最小截面。截面越大，意味着暗物质粒子比想象中更敏感，即使相隔较远也能相互作用；反之，截面越小，意味着暗物质粒子非常迟钝且胆小，只有擦肩而过时才能产生极微弱的相互作用。为了解释本次詹姆斯·韦布观测中发现的，在总质量分布与星系团内总光分布之间仅存在极其微小的偏差、实际上几乎没有巨大差异的情况，所需要的暗物质粒子截面数值非常惊人。
计算结果显示，暗物质粒子的截面最大仅为0.5cm^2/g水平。这仅仅处于SIDM模型所提出的有效截面范围的最低限。与普通的氢原子相比，就能知道这个截面有多小了。氢原子的单位质量截面为1.7×10^7cm^2/g。这意味着即使相隔甚远，氢原子也能感知彼此并产生相互作用。
然而，根据此次观测，如果暗物质粒子确实是SIDM，除非它们近到擦肩而过，否则几乎感知不到对方，也不会产生任何相互作用。如果这是真的，暗物质粒子实际上就是一种“对谁都漠不关心的幽灵”，对其他普通粒子乃至自身都可有可无。这或许能解释为什么我们至今未能捕捉到它们的痕迹。不知道这对目前仍一无所获的粒子物理学家们算不算一种安慰。
此次通过更深入观察星系团碰撞现场而得出的研究结果，为那些试图在实验现场通过碰撞粒子来召唤暗物质的粒子物理学家们提供了有用的指导方针。因为它明确提出了寻找这种害羞且不与人交互的粒子需要达到什么程度的界限，以及强子对撞机需要提升到何种地步的极限。
正如本次研究结果所示，暗物质粒子的截面单位使用了“单位质量（g）”除以质量的单位。这是因为我们尚不清楚暗物质粒子的确切质量。实际暗物质粒子的截面最终可能取决于该粒子有多重。此外，詹姆斯·韦布望远镜虽然分辨率极高，但一次能看到的视野非常狭窄。因此，在此次分析中，天文学家只能专注于子弹星系团的中心部分。即将发射的下一代空间望远镜“南希·格蕾丝·罗曼（Nancy Grace Roman）”拥有更宽广的视野。未来如果能结合罗曼望远镜的数据，我们将能在更广阔的区域寻找更多的引力透镜图像，从而绘制出更宏大的暗物质地图。
遗憾的是，为了解释我们的宇宙，依然需要暗物质。仍有一个幽灵在宇宙中徘徊。那就是名为暗物质的幽灵。
参考
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/add2f0
作者池雄培（音译）简介：热爱猫咪和宇宙。儿时在看过《银河铁道999》后，立下了向世人传达宇宙之美的梦想。目前在延世大学银河进化研究中心及近宇宙论研究室，研究通过星系相互作用进行的演化，并进行演讲和写作等多种科学传播活动。著有《썸 타는 천문대》（暧昧天文台）、《하루 종일 우주 생각》（整天想宇宙）、《별, 빛의 과학》（星，光的科学）等书籍。