[비즈한국] 天文学是光的科学。望远镜全都是在观察从宇宙中射出的“光”。因此，天文学中存在一种令人极其头疼的物质，那就是暗物质。暗物质偏偏既不发光，也不吸收光。它与光没有任何相互作用。因此，对于观测光的望远镜来说，暗物质几乎等同于不存在。虽然为了解释宇宙必然需要假设暗物质的存在，但在最初就没有办法观察到它。至少对天文学家而言是这样。
正因如此，近几年来，寻找暗物质真面目的尝试大多来自于粒子物理学，而非天文学。科学家们进入地底深处安装探测器，等待暗物质粒子偶然经过时留下的痕迹。或者在巨大的粒子加速器中不断让质子发生碰撞，等待出现意外的能量缺失或过剩。这些实验之所以选择进入地底深处，是因为要尽可能避开其他宇宙射线和粒子的干扰。
那么，干脆去往地球之外如何？不仅可以避开地表人类产生的噪音，还能更清晰地捕捉到宇宙中暗物质的信号。最近，甚至进行了一项大胆的实验，将詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）当作暗物质探测器来进行测试。
等等，这难道不奇怪吗？詹姆斯·韦布分明是一台望远镜。它是观测光的工具，不，是只观测光的工具。那么到底如何将詹姆斯·韦布用作暗物质探测器呢？这个想法确实非常新颖。
望远镜是如何拍照的？宇宙中的光射入并接触到探测器时，电子会弹出并产生电流。事实上，望远镜相机并不是直接拍摄光本身，而是通过感应光照下产生的电流来生成图像。光线越强，产生的电流就越强。然而，由于望远镜探测器并非完美，出于极其实际的原因，会产生另一种噪音。望远镜探测器不仅会感应星光，也会因为热量产生电流。因此，对望远镜而言，冷却始终至关重要。如果望远镜本身变热，就会产生非星光引起的热流，导致观测数据被污染。
所以，在用望远镜观测时，人们有时会故意关闭快门拍摄“黑图”。这样可以在屏蔽掉外界天空光线影响的情况下，识别出望远镜内部热量产生的自身噪音。之后，在拍摄实际夜空照片时扣除掉之前识别出的纯自身噪音，就能获得污染最小、更干净纯粹的数据。将詹姆斯·韦布作为暗物质探测器的构想，正是源于此。
在这次尝试中，天文学家们给詹姆斯·韦布的其中一个NIRSpec探测器盖上了一个不透明滤镜。彻底阻断了进入传感器的光线。相当于关闭了詹姆斯·韦布相机的快门。在那种状态下，探测器感应到了微弱的自身噪音。人类很久以前就开始使用包括CCD在内的、将光转换为电流的传感器。不仅是望远镜相机，智能手机和数码相机也都是基于同样的原理运作。因此，我们非常清楚望远镜探测器应该以何种形式产生噪音，并可以进行建模。我们可以知道在望远镜自身的热量、从宇宙射入的强烈宇宙射线粒子等影响下，詹姆斯·韦布探测器的每个像素应该检测到多少电荷。
但如果实际关闭詹姆斯·韦布的快门进行实验时，检测到的电荷比预想的要多呢？这可以看作是有某种我们完全无法理解的东西刺激了望远镜探测器。重要的是，这项实验是在关闭詹姆斯·韦布快门的状态下进行的。也就是说，普通的光绝对无法进入。星光、星系光，任何普通光线都无法成为原因。唯一可能的是，能够直接穿透探测器快门并触及探测器的幽灵般的存在，即暗物质。这次实验中，将詹姆斯·韦布整体作为暗物质探测器的构想正是如此。
这个新颖的实验结果如何？这张图表显示了詹姆斯·韦布在NIRSpec快门关闭状态下收集到的电荷分布。这是一个直方图，展示了探测器每个像素检测到了多少电荷。观察天蓝色的直方图，可以看到从电荷较少的像素到较多的像素平滑增长又减少，呈现出与正态分布相似的形态。此处，蓝色线条是排除暗物质效应后，纯粹的自身噪音分布。比较天蓝色直方图和蓝色曲线，实际上几乎没有差异。也就是说，在关闭詹姆斯·韦布的“眼睛”所进行的这场新颖实验中，也并没有发现暗物质粒子的痕迹。
那么这次实验失败了吗？从结果来看，因为没能捕捉到暗物质信号，或许可以这么认为。但这并不一定。相反，这正是重要的线索，告诉了我们在寻找暗物质时，不是应该看哪里，而是哪里不需要看。这张图表非常有趣。它展示了我们寻找的暗物质候选粒子的物理量分布。横轴表示暗物质粒子的质量水平和能量水平。纵轴表示暗物质粒子之间相互作用的难易程度，即有效截面。截面越大，意味着即使距离较远也能轻易发生相互作用。然而，这张图表中带颜色的区域代表通过各种实验和观测已被排除的区域。也就是说，暗物质粒子无法存在于带颜色的区域内。
有趣的是，至今人类一直在寻找暗物质未果，实际上是在进行一项将暗物质“不应该存在的地方”剔除出去的工作。通过寻找并排除暗物质粒子无法存在的物理量范围，例如质量应该在某种程度以上或以下，截面应该在某值以上或以下等，正在像排除法一样不断挤压暗物质粒子的生存空间。
关闭詹姆斯·韦布快门所进行的有趣尝试，在图表上添加了另一个蓝色的排除区域。这再次缩小了暗物质可以逃避的空间。暗物质隐藏在图表中尚未上色的白色区域内的概率变得更高了。
这种一点点排除暗物质无法存在的物理量范围的过程，可以从两个方面来解读。可以看作是我们不断缩小暗物质的逃避范围，收紧搜索范围的过程。这能减少浪费时间去寻找毫无意义的区域。也可以认为，随着不断压迫暗物质的物理量范围，最终将能够找出一直隐藏在最后的家伙。
或者也可以认为，根本不存在所谓的暗物质，但人类却在不知道这一点的同时，做着一点点缩小白色区域的愚蠢行为。或许是因为白色区域里本来就什么都没有，却在自我安慰地通过一点点涂掉白色区域，认为没涂颜色的地方一定藏着什么东西。
在猎取暗物质的过程中，天文学和粒子物理学紧密相连。天文学是光的科学，因此很难直接看到不发光的暗物质。但它可以通过可见的事物，为看不见的存在应该具备哪些特征，或者不应该具备哪些特征提供指南。那么，地球上的粒子物理学家就会基于这些指南设计捕获暗物质的陷阱。
追踪暗物质的过程代表了现代天文学所蕴含的最基本的哲学，即所谓的“宇宙论认识”。我们现在知道，所有可见的事物都受到所有不可见事物的影响，所有已知的事物都与所有尚未知晓的事物相连。暗物质是看不见的。所以我们才没有打开望远镜的快门，而是选择关闭它来试图观察暗物质。必须闭上睁开的眼睛。闭上眼睛才能看见，那正是暗物质的本质。
参考
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/s2q8-rzb3
作者池雄培（Ji Ung-bae）是谁？他热爱猫和宇宙。童年时在看了《银河铁道999》后，立下了向世人传达宇宙之美的梦想。目前作为世宗大学自由专业学部助理教授，进行讲座、写作等多种科学传播活动。著有《每天一片宇宙》、《星光闪耀的宇宙科学家们》、《虽无法触及却能了解》、《仰望宇宙时产生的奇怪问题们》等书籍，并翻译了《给真正太空旅行者的指南》、《我是如何杀掉冥王星的》、《量子生活》、《Cosmigraphic》等书。