暗物质

在宇宙學中，**暗物質**（英語：Dark Matter）是指不與電磁力產生作用的物質，也就是不會吸收、反射或發出光。人們目前只能透過重力產生的效應得知，而且已經發現宇宙中有大量暗物質的存在。

現代天文學經由引力透鏡、宇宙中大尺度結構的形成、微波背景輻射等方法和理論來探測暗物質。而根據 ΛCDM 模型，由普朗克衛星探測的數據得到：整個宇宙的構成中，常規物質（即重子物質）占 4.9%，而暗物質則占 26.8%，還有 68.3% 是暗能量（質能等價）。暗物質的存在可以解決大爆炸理論中的不自洽性（inconsistency），對結構形成也非常關鍵。暗物質很有可能是一種（或幾種）粒子物理標準模型以外的新粒子所構成。對暗物質（和暗能量）的研究是現代宇宙學和粒子物理的重要課題。

2015 年 11 月，NASA 噴射推進實驗室的科學家蓋瑞・普里茲奧（Gary Prézeau）以 ΛCDM 模型模擬銀河系內暗物質流過地球與木星等行星的情形，發現這會使該暗物質流的密度明顯上升（地球： $10^{7}$ 倍、木星： $10^{8}$ 倍），並呈現毛髮狀的向外輻射分佈結構。

## 暗物質存在的證據

最早提出證據並推斷暗物質存在的是荷蘭科學家揚・奧爾特，在 1932 年他根據銀河系恆星的運動提出銀河系裡面應該有更多的質量的想法。
1933 年，美國加州理工學院的瑞士天文學家弗里茨・茲威基研究后髮座星系團時，使用維里定理推斷出其內部有看不見的物質。
但當時並未稱為暗物質，而是稱為被丟失了的質量。

### 星系自轉曲線

美國天文學家薇拉・魯賓觀測星系轉速時，發現星系外側的旋轉速度較牛頓重力預期的快，故推測是有數量龐大的質能拉住星系外側組成，以使其不致因過大的離心力而脫離星系。在 1980 年魯賓和同事將其結果發表了一篇有影響力的論文。

### 星系與星系團觀測

2006 年，美國天文學家利用錢德拉 X 射線望遠鏡對星系團 1E 0657-558 進行觀測，無意間觀測到星系碰撞的過程，星系團碰撞威力之猛，使得暗物質與正常物質分開，因此發現了暗物質存在的直接證據。

雖然暗物質在宇宙中大量存在是一個普遍的看法，但是科學家們發現螺旋星系 NGC 4736 的旋轉能完全依靠可見物質的引力來解釋，也就是說這個星系沒有暗物質或者暗物質很少。

### 宇宙微波背景輻射

宇宙微波背景輻射（Cosmic Microwave Background，簡稱 CMB）最初發現於 1964 年。對於背景輻射的進一步觀測也支持這個理論，並給予了更多架構理論模型的條件。這些觀測中最著名的當屬宇宙背景探測者（COBE）。COBE 觀測到 2.726K 的輻射溫度，以及在 1992 年第一次觀測到約十萬分之一的溫度起伏（各向異性）。在隨後的幾十年裡，許多地上或高空氣球實驗對 CMB 的各向異性作了更進一步的觀測。這些實驗最初的目的是要去量測 CMB 譜密度的第一峰值，在之前 COBE 的量測並未給出足夠好的解析度。在 2000 到 2001 年間，毫米波段氣球觀天計畫藉由量測觀測 CMB 的各向異性，發現宇宙是接近平坦的空間結構。在 1990 年代，第一峰值的量測上不斷提高了敏感度。毫米波段氣球觀天計畫提出了報告指出最大的譜密度波動發生在尺度約為一度角時。這些觀測足以排除宇宙弦作為宇宙結構形成的主因，而趨向於接受暴脹理論。

## 暗物質的組成及理論模型

雖然人們已經對暗物質作了許多天文觀測，其組成成份至今仍未能全然瞭解。早期暗物質的理論著重在一些隱藏起來的一般物質星體，例如：黑洞、中子星、衰老的白矮星、褐矮星等。這些星體一般歸類為暈族大質量緻密天體（MAssive Compact Halo Objects，縮寫為：MACHOs）然而多年來的天文觀測無法找到足夠量的 MACHOs。一般認為，難以探測的重子物質（如 MACHOs 以及一些氣體）確實貢獻了部分的暗物質，但證據指出這類的物質只佔了其中一小部分。而其餘的部分稱作「非重子暗物質」。此外，星系轉速曲線、重力透鏡、宇宙結構形成、重子在星系團中的比例以及星系團豐度（結合獨立得到的重子密度證據）等觀測數據也指出宇宙中 85-90% 的質量不參與電磁作用。這類「非重子暗物質」一般猜測是由一種或多種不同於一般物質（電子、質子、中子、微中子等）的基本粒子所構成。

在眾多可能是組成暗物質的成分中，最熱門的要屬一種被稱為大質量弱交互作用粒子（Weakly Interacting Massive Particle，簡稱 WIMP）的新粒子了。這種粒子與普通物質的作用非常微弱，以致於他們雖然存在於我們周圍，卻從來沒有被探測到過。還有一種被理論物理學家提出來解決強交互作用中 CP 問題，被稱為軸子的新粒子，也很有可能是暗物質的成分之一。惰性微中子（sterile neutrino）也有可能是組成暗物質的一種成分。2014 年 6 月 22 日，臺灣大學天文物理所闕志鴻研究團隊發表論文主張，暗物質也可能是一種稱為 Ψ 暗物質的極輕型粒子，其質量為電子的 10-28 倍，波長約為一千光年，而密度則為液態水的一百萬倍。

歷史上，人們將可能的暗物質分為三個大類：冷暗物質、溫暗物質、熱暗物質。
這個分類並非依照粒子的真實溫度，而是依照其運動的速率。

* **冷暗物質**：在古典速度下運動的物質。
* **溫暗物質**：粒子運動速度足以產生相對論效應。
* **熱暗物質**：粒子速度接近光速。

雖然可以有第四個稱為混合暗物質（mixed dark matter）的分類，但是這個理論在 1990 年代由於暗能量的發現而被捨棄。

## 暗物質的探測

暗物質的探測在當代粒子物理及天體物理領域是一個很熱門的研究領域。對於大質量弱交互作用粒子來說，物理學家可能通過放置在地下實驗室，背景雜訊減少到極低的探測器直接探測 WIMP，也可以通過地面或太空望遠鏡對這種粒子在星系中心，太陽中心或者地球中心湮滅產生的其他粒子來間接探測。人們也希望歐洲大型強子對撞機（LHC）或者未來的國際直線加速器中人工創造出這些新粒子來。

### 直接探測實驗

對於暗物質的直接探測實驗一般都這設置於地底深處，以排除宇宙射線的背景雜訊。這類的實驗室包括美國的 Soudan mine 和 DUSE、加拿大的 SNOLAB 地下實驗室、義大利的大薩索國家實驗室（Gran Sasso National Laboratory）、英國的 Boulby mine 以及中國四川省錦屏山地下 2500 米世界最深暗物質試驗中國錦屏極深地下暗物質實驗室。

目前大部分的實驗使用低溫探測器或惰性液體探測器。低溫探測器是在低於 100mK 的環境下探射粒子撞擊鍺這類的晶體接收器所產生的熱。惰性液體探測器則是探測液態氙或液態氬中粒子碰撞產生的閃爍。低溫探測實驗包括了 CDMS、CRESST、EDEDWEISS 及 EURECA。惰性液體探測實驗包含了 ZEPLIN、XENON、DEAP、ArDM、WARP、LUX 和最深的中國暗物質實驗及粒子和天體物理氙探測器。這兩種探測技術都能夠從其他粒子與電子對撞的雜訊中辨識出暗物質與核子的碰撞。其他種類的探測器實驗有 SIMPLE 和 PICASSO。

DAMA/NaI、DAMA/LIBRA 實驗探測到一年性的事件數變化，並宣稱此現象是源自於暗物質。（隨著地球繞太陽公轉，探測器與暗物質的相對速度會做小幅度的變化。）目前這個說法並未受到證實，同時也很難與其他實驗的結果不相衝突。

方向性的暗物質探測方式是運用太陽系繞行銀河系的運動。利用低壓 TPC，我們可以得知反彈路徑的資訊，並藉此去瞭解 WIMP 與原子核的作用。從太陽行進方向入射的 WIMP 訊號可以從各向同性的背景雜訊中分離出來。這類的探測實驗包括有 DMTPC、DRIFT、Newage 和 MIMAC。

2009 年 12 月 17 日，CDMS 的研究團隊發表了兩個可能的 WIMP 事件。他們估計這兩起事件來自已知背景訊號（中子、錯認的 β 射線或是伽馬射線）的可能性是 23%，並作出了這樣的結論：「這個分析結果無法被視作 WIMP 的有力證據，但我們不能排除這兩起事件來自 WIMP 的可能性。」

CoGeNT 實驗於 2011 年 5 月公布先前 15 個月的探測結果，顯示粒子的碰撞率呈現週期性變化，夏天較高而冬天比較低，這可以看作是暗物質存在的證據之一。這個結果支持已經進行了 13 年的義大利的 DAMA/LIBRA 暗物質探測實驗。CoGeNT 的實驗結果顯示探測到的 WIMP 的質量是中子質量的 5 到 10 倍，這與其他的某些實驗不符，但是其他實驗對低能暗物質的探測精度沒有 CoGeNT 高。

### 間接探測實驗

暗物質的間接探測主要是觀測其兩兩湮滅時所產生的訊號。
由於其湮滅所產生的粒子與其暗物質的模型有關，有許多種類的實驗被提出。
假使暗物質是馬約拉那粒子，則兩個暗物質對撞會湮滅產生伽馬射線或正負粒子對。如此可能會在星系暈生成大量伽馬射線、反質子和正電子。實驗計畫 PAMELA 便是探測這類的訊號。然而在完全瞭解其他來源的背景雜訊以前，這類的探測不足以當作暗物質的決定性證據。中國的暗物質粒子探測衛星是現今觀測能段範圍最寬、能量解析度最優的暗物質粒子空間探測器。

EGRET 伽馬射線望遠鏡過去觀測到了超出預期量的伽馬射線，但科學家認為這多半是來自系統中的效應。自 2008 年 6 月 11 日開始啟動的費米伽馬射線太空望遠鏡則正在搜尋暗物質湮滅產生伽馬射線的事件。在較高能量區間，地上的神奇伽馬射線望遠鏡已經對矮橢球星系
以及星系團中的暗物質給予了某些限制。

2017 年 11 月 30 日，中國科學院發布，悟空衛星發現可能是暗物質存在的證據。

## 替代理論

雖然暗物質是目前在解釋各種星系及星系團觀測結果上最熱門的理論，但目前仍沒有暗物質的直接觀測證據。有一些不包含大量不可探測物質（即暗物質）的替代理論也被提出來解釋這些現象。這些替代理論大致可分成重力理論的修正以及量子重力。兩者的區別在於重力理論的修正單純地只對星系或宇宙尺度的重力效應作出修正，而不考慮量子尺度的問題。然而兩者都主張牛頓或愛因斯坦的理論並不完備，重力在不同的尺度會有不一樣的行為。

### 重力理論修正

重力理論修正（MOND）是對牛頓的萬有引力公式修正，用以解釋星系自轉問題的替代暗物質理論。該理論由以色列物理學家莫德采・米爾格若姆創建於 1983 年 。

### 量子重力

量子重力是一個熱門且廣泛的研究領域，有時它被稱作萬有理論。一般來說，它是指企圖統一重力以及量子力學的理論，這兩門物理至今未能被完全整合。迴圈量子重力、超弦理論以及其繼任的 M 理論皆屬於這類的理論。

### 量子真空

物理學家 Dragan Slavkov Hajdukovic 提出，量子真空中的虛引力偶極能被鄰近重恆星與星系中的重子物質引力極化（gravitationally polarized）。當虛偶極排列時，它們能產生額外的引力場，能與恆星及星系所產生的引力場結合，在星系的旋轉曲線上產生相同的「加速」效應。

## 參見

* 光暗物質
* 鏡物質
* 自交互作用暗物質
* 變色龍粒子
* 大質量弱交互作用粒子
* 暈族大質量緻密天體
* 大質量重子天體強關聯星團
* 大質量交互作用粒子（SIMP）
* 共形引力
* 牛頓動力學修正（MOND）
* 純量場暗物質
* 暗物質暈
* 星系自轉問題
* 弱引力透鏡
* 暗能量
* 微中子
* 非粒子物理

## 參考資料

## 外部連結

* The Dark Matter Crisis
* The European astroparticle physics network
* A nice animation about dark matter
* 開放式目錄計劃中和暗物質相關的內容
* NASA Finds Direct Proof of Dark Matter (新聞稿). NASA. 2006-08-21 [2011-06-04]. （原始內容存檔於 2015-05-24）.
* Tuttle, Kelen. Dark Matter Observed. SLAC（史丹佛線性加速器中心）Today. August 22, 2006 [2011-06-04]. （原始內容存檔於 2009-09-09）.
* Astronomers claim first 'dark galaxy' find. New Scientist. 2005-02-23 [2011-06-04]. （原始內容存檔於 2006-12-10）.
* Wikinews:Dark matter galaxy discovered
* Sample, Ian. Dark Matter Detected. London: Guardian. 2009-12-17 [2010-05-01]. （原始內容存檔於 2009-12-25）.
* Multimessenger Approach for Dark Matter Detection.（多信號方式暗物質探測）Spanish Project of the Consolider-Ingenio 2010 Programme.
* Video lecture on dark matter by Scott Tremaine, IAS professor （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Science Daily story "Astronomers' Doubts About the Dark Side ..." （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Sciencepaper Online—— 天文學：相對論效應導致的宇宙暗物質現象