图片蓝色部分为推测的暗物质分布（图片来源：ESA/Hubble）
暗物质看不见、摸不着、目前只存在于理论中，然而科学家却已经为候选的暗物质粒子按冷、温、热分好了类。他们的分类标准是什么？不同类别的暗物质，在构建宇宙的过程中起了什么作用？我们又该如何寻找它们的踪迹？
撰文 | Glennda Chui
翻译 | 郑昱虹
审校 | 王昱
半个世纪前，天文学家薇拉·鲁宾（Vera Rubin）和肯特·福特（Kent Ford）为了解释星系的旋转，认为大量证据显示宇宙中存在一种看不见的物质，这种物质现在被称为“暗物质”。暗物质只通过引力与普通物质发生相互作用，但数量极多，占宇宙中所有物质的85%。
暗物质为塑造可见物质发挥了关键作用。从我们的银河系到遥远星系间的气体纤维，它们的形成过程都有暗物质的参与。美国天体物理学家凯沃克·阿巴扎吉安（Kevork Abazajian）说：“我们相信暗物质存在，因为在多种尺度下都有支持它存在的证据。”
关于暗物质的形态存在很多观点，从行星大小的物体（被称为MACHO）到单个粒子（如大质量弱相互作用粒子WIMP，大约质子大小），甚至更小的轴子（axion）和惰性中微子，不一而足。
20世纪80年代起，科学家将候选的暗物质粒子按冷、温、热分类。分类标准基于粒子在早期宇宙中的速度，而这又取决于粒子质量及其诞生时的环境温度。轻而快的粒子被称为“热暗物质”，重而慢的粒子被称为“冷暗物质”，“温暗物质”则介于二者之间。在这一标准下，WIMP是冷暗物质，惰性中微子是温暗物质，早期宇宙残留的中微子是热暗物质。（轴子是一个特例，它既轻又极冷。我们稍后细说。)
为什么科学家如此重视粒子的速度呢？阿巴扎吉安说：“轻而快的暗物质粒子可以在相同时间内走得更远，抹平沿途存在的任何结构。”相反，慢而冷的暗物质则有助于构建结构。根据我们现有的知识，慢而冷的暗物质一定是宇宙组成成分之一。
建造星系
科学家对每种候选暗物质粒子的形成时间和形成方式尚未有定论。他们唯一确定的是，暗物质在宇宙大爆炸后大约75 000年就已经存在了。“从那时起，‘物质’超越‘辐射’成为宇宙的主宰，像‘种子’一样的微小的物质结构开始形成，”美国斯坦福大学（Stanford University）理论物理学家彼得·格雷厄姆（Peter Graham）说。
新生宇宙是一锅炽热而致密的“宇宙汤”，其中粒子碰撞，产生了大多数类型的暗物质粒子。这与大型强子对撞机（Large Hadron Collider，LHC）中，高能粒子碰撞产生新粒子的过程大致相同。事实上，暗物质可能存在多种类型。随着宇宙的膨胀和冷却，暗物质粒子最终变为冷暗物质、温暗物质、热暗物质。
当暗物质在宇宙中自由“流动”时，每种类型的暗物质都会对沿途的物质结构产生独特影响。“科学家形容暗物质在宇宙中自由‘流动’，这个术语有点误导人。”阿巴扎吉安说，“因为顺着河水流动的树叶都朝着同一个方向前进，但流动的暗物质却无处不在，向四面八方散播。” 它们有的增加物质的聚集度、从而促进星系的形成，有的阻碍星系的形成。
冷暗物质可以促进物质聚集，比如WIMP。因为它们的移动速度足够慢，能够汇聚在一起形成引力井，从而捕获附近的物质，使物质聚集。
而热暗物质则会“拆散”聚集的物质，因为它们的移动速度如此之快，以至于可以忽略引力井的吸引。意大利博洛尼亚大学（University of Bologna）理论物理学家西尔维娅·帕斯科利（Silvia Pascoli）说：“如果宇宙中只有热暗物质，那么微小的物质结构‘种子’就不可能成长为更大的结构。”因此科学家认为，热暗物质粒子只占暗物质的一小部分，如宇宙早期遗留的中微子。但作为目前唯一确定的暗物质，这类中微子也对宇宙的进化产生了重要的影响。
你可以把温暗物质视为最好的暗物质，它们可以让宇宙充满恰到好处的物质结构。惰性中微子是温暗物质的首选粒子，在理论上它可以占暗物质的绝大多数。
阿巴扎吉安研究了早期宇宙中特定类型的中微子振荡如何产生惰性中微子暗物质，他说：“然而大部分参数空间（可能存在的条件集）已经被排除了。尽管同样的振荡今天可能还在发生，但一般的中微子在真空中通过标准振荡转化为惰性中微子的概率极低，估计在10万分之一到100万亿分之一之间。”
“你必须使用非常好的计数机制，才能在100万亿次撞击中不遗漏一次惰性中微子的撞击。”阿巴扎吉安说。也就是说，也有一些实验正在尝试不依赖撞击产生惰性中微子方法。
轴子与其他候选暗物质粒子不同，它们非常轻、非常冷。轴子的质量轻到可以用波来描述它，轴子场可以传播几公里。轴子与其他物质的耦合很弱，以至于在早期宇宙粒子疯狂碰撞的热“汤”中，几乎也不会产生任何轴子。
“轴子的产生方式与其他的候选暗物质粒子天差地别。尽管当时的宇宙非常热，但轴子在诞生时就非常冷，并将永远保持冷的状态。” 格雷厄姆说，“轴子的温度接近绝对零度，而在这个温度下几乎所有的运动都停止了。所以本质上轴子是不运动的。它们像是幽灵般的液体，而其他的一切都在其中流动。”
寻找各种各样的暗物质
部分科学家认为，想要解释我们在宇宙中看到的所有事物，需要不止一种类型的暗物质。尽管在过去的几年里，旨在检测WIMP和产生暗物质粒子的LHC碰撞试验全都无果而终，但搜寻暗物质的研究仍未停歇。科技的进步带来了许多巧妙的实验方法，或许能让我们发现更轻、更奇异的暗物质粒子。
部分寻找暗物质的实验，利用了暗物质在创造物质结构的过程中起到的作用。
加州大学欧文分校的科学家西蒙娜·穆尔吉亚（Simona Murgia ）在美国能源部SLAC国家加速器实验室（SLAC National Accelerator Laboratory)进行博士后研究时，她带领的研究团队曾用费米伽马射线太空望远镜（Fermi Gamma-ray Space Telescope）寻找WMIP与其反粒子之间的碰撞现象。
现在她所在的国际科学家团队，将在智利的维拉·鲁宾天文台（Vera C. Rubin Observatory）使用世界上最大的数码相机，对南部天空进行大规模的研究。这项研究的目标之一，是观察可见星系发出的光线如何被暗物质弯曲，以更好地掌握暗物质的分布。
该相机将在10年间拍摄大约200亿个星系的图像，科学家希望由此推断出塑造它们的暗物质的基本性质。“星系的分布越聚集，就越符合冷暗物质的理论。” 穆尔吉亚说，“我们不仅想知道暗物质是否真的存在，更想明白暗物质究竟是什么。”
原文链接：
https://www.symmetrymagazine.org/article/is-dark-matter-cold-warm-or-hot
发表于 2021-10-23 17:13
收藏
分享