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科技

掃描宇宙,尋找暗物質

科學人

更新於 2022年06月10日03:59 • 發布於 2022年06月10日02:00 • 普雷斯科德-溫斯坦(Chanda Prescod-Weinstein)

天空中隱密的訊號可能洩漏暗物質的所在位置,未來幾年的大規模天文觀測,將增進對暗物質本質的理解。

(繪圖:Mondolithic Studios)
(繪圖:Mondolithic Studios)

你認為暗物質問題該如何解決?」在2009年女性天文學會議上經介紹幾分鐘後,魯賓(Vera C. Rubin)就急切地問我。直到今天,我都不記得自己的回答。我當時驚呆了,原因是這位因發現暗物質存在的第一個確切證據而獲得美國國家科學獎的著名天文學家,竟然會詢問像我這樣20多歲博士生的意見。我確信自己當時的回答一定不好,因為我在那一刻之前從未認真思考過。在魯賓詢問我之前,我從沒想過自己有資格對這個問題發表意見。

如果我的回答令魯賓失望,她也沒表現出來。相反地,她邀請我與包括美國航太總署(NASA)前署長羅曼(Nancy Grace Roman)在內的一些女性天文學家,一起吃午餐。席間魯賓對常稱為「哈伯太空望遠鏡之母」的羅曼讚譽有嘉。對我來說,看著一位揭開了我們這個時代最偉大的科學奧秘之一的女性興奮地向我們介紹她的英雄,真是意義重大的時刻。

魯賓在1960年代便鞏固了自身的學術地位,當時她研究星系內的恆星,並發現了一種奇怪現象:星系外圍恆星的移動速度比預期的要快,好像有一種看不見的物質在施予重力。茲維基(Fritz Zwicky)在1930年代早期研究星系團的發現,促使他提出「暗物質」(德語Dunkle Materie)存在的假設。魯賓的研究成果正呼應了茲維基的假設,她和天文學家福特(Kent Ford)在整個1970年代所發表的數據均與這一結論相符。到了1980年代初期,科學家普遍認為物理學有個暗物質問題。

大多數在實驗室裡追尋暗物質的策略可分為三類。「直接探測」實驗專注於尋找暗物質粒子與普通物質粒子(例如氙元素)產生交互作用的證據,不論是透過弱作用力(weak force)這種非重力的基本作用力或假設的新作用力。「粒子對撞機」實驗則採取相反策略,例如在瑞士日內瓦附近的大強子對撞機(LHC),把兩個普通物質粒子撞碎,以期產生暗物質粒子。另外,「間接探測」實驗觀測暗物質與暗物質碰撞後所產生的粒子,來尋找暗物質存在的證據。

直到目前為止,這些策略都沒有發現「失蹤的物質」。科學家仍然不知道暗物質是否透過重力之外的任何方式與普通物質產生交互作用。暗物質可能無法在科學家有能力建造的粒子加速器中產生,也無法在科學家能夠主導的實驗中偵測到。因此,天文觀測,即針對暗物質的宇宙探測,是科學家的最佳希望之一。藉由這些探測工作,就能夠在地球上難以形成的環境中(例如中子星內部)尋找暗物質特性。一般而言,這類搜尋為的是探查暗物質處在不同重力環境下的現象。

雖然這種研究暗物質的方法前景不錯,但是有時會陷入天文學界與物理學界的窘境。物理學家傾向於著重粒子對撞機和在實驗室裡操作的實驗,並不優先考慮與天文物理學的關聯;天文學家則傾向於把暗物質視為粒子物理學問題。這種窘境影響了研究預算分配。就在今年,科學界有機會改變這種狀況,把2020年代的頭幾年標誌為「斯諾馬司粒子物理社群規劃演練」(Snowmass Particle Physics Community Planning Exercise)這項重要計畫的開端。該計畫大約每十年進行一次,把物理學家聚集在一起,向美國國會授權的一個小組解釋未來的科學計畫,該小組將據此決定科學計畫的優先項目。針對暗物質的宇宙探測將首次成為一個獨特的考慮主題。雖然斯諾馬司並未提出正式的政策建議,但在組織科學計畫架構中的每個階段,一定會決定該著重於哪些主題……

【欲閱讀全文或更豐富內容,請參閱〈科學人知識庫〉2022年第244期06月號】

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