【文╱吳俊輝(台灣大學物理系暨天文物理研究所教授,劍橋大學宇宙學博士)】

 

一般的星系大多籠罩在雲暈狀的暗物質中(圖中所示球形區域)。

 

 

2013年4月3日,歐洲核子研究組織(CERN)正式發表了造價約六百億新台幣的「阿爾發磁譜儀」(Alpha Magnetic Spectrometer,簡稱AMS)的新研究成果,該計畫由華裔諾貝爾物理獎得主丁肇中教授領軍、歷時18年,共有包含台灣在內的16國一起合作,已在國際太空站上進行了近兩年的觀測,目的就是為了找尋神祕的「暗物質」(Dark Matter)!近來華文媒體爭相以「解開宇宙重大謎團」、「發現暗物質線索」等等為標報導該成果,寫得多半讓人有看沒有懂,所以我們只簡單地問:暗物質真的找到了嗎?它和我們之前介紹過、能讓世界全然改觀的第五元素「暗能量」(參見《BBC知識》No.18本專欄)有何異同?

 

看不見卻無所不在的「暗物質」

依據今年3月普朗克太空計畫的新結果(參見《BBC知識》No.20本專欄),目前宇宙的組成物質中約有68%為暗能量、27%為暗物質、5%為一般物質。前二者所以名之為「暗」,是因為它們都不會發光,也因此很難被直接偵測,而兩者間的差別僅在於暗物質具萬有「引力」、暗能量具萬有「斥力」。兩者都是在結合觀測與理論後所間接推得的理論產物,在自然界中從未被偵測到。

暗能量主要是為了解釋宇宙加速膨脹的現象(2011年諾貝爾物理獎),而暗物質的提出則具有多重動機,第一次被討論已是近一個世紀以前。傳統上的主要動機是為了解釋一般星系在旋轉時,為何外圍轉速要比預期中還來得快。也就是說在理論上,暗物質會以雲暈(halo)的方式籠照著整個星系,藉以提供星系外圍快速旋轉所需的重力。近十多年來的另一動機則是來自宇宙觀測上的「重力透鏡效應」(Gravitational Lensing),也就是說宇宙中的星光有時會被莫名地扭曲,而這極可能是受到暗物質團塊的重力偏折,就像光在通過透鏡時會發生偏折一樣。

 

「暗物質」是何方神聖

如今雖然科學家們普遍認為暗物質占宇宙組成物質的近三成,但在現實中卻一直找不到它存在的直接證據。在理論物理的架構下,可能的暗物質候選者有很多,包括軸子(axion)和超對稱粒子(Supersymmetric Particle)等,這些候選者各個都披有迷幻色彩,其存在與否都會對現代物理學造成衝擊,因此若能在宇宙或實驗室中偵測到暗物質,人類的科學成就將會迅速地更上層樓,第一位發現者也必然會獲得諾貝爾獎。丁肇中教授所領導的跨國大型計畫AMS,精神即在於此。

 

仔細聆聽宇宙叢林中的「暗物質」

但暗物質既然看不到也摸不著,那要如何搜尋呢?這個過程就像是在未知的叢林中透過蛙鳴來尋找一種隱形蛙,由於我們已事先建立好各種動物和叫聲的對應知識,所以當聽到任何聲音時,便能夠分辨是何種動物,分析是否含有隱形蛙。這個技術的難度即在於防止誤判,所以不但要對隱形蛙有深入的研究,更要具有精確偵測並分析聲音的能力。

宇宙中的物質彼此間會有不同的交互作用,因而產生各種不同的宇宙射線,偵測這些射線就如同在聆聽叢林中的聲音一樣,可以推測它們是由哪種物質所產生的。暗物質的熱門候選者之一為「弱作用大質量粒子」(Weakly-Interacting Massive Particle,簡稱WIMP),它們會隨時間產生出電子和正子(電子的反粒子),但由於正子在一般自然界中並不多見,它就像是一種特殊的蛙鳴,故常被拿來做為偵測WIMP暗物質的媒介。

AMS在十八個月間共偵測到超過三百億個宇宙射線,約占該計畫原本預計偵測數量的一成,所以AMS未來會長期在國際太空站上持續進行下去。這些被偵測到的宇宙射線中,約有六百八十萬個被確認是電子或正子,其中至少有四十萬個為正子。這些正子的能量分布不但與一個理論模型完全符合,資料也顯示它們來自於宇宙的四面八方,而非來自某一特定方向,AMS因此受到學術界及媒體關注。

 

完整內容請見《BBC知識國際中文版》第21期(2013年5月號)。版權所有,轉載請註明出處。】

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