望遠鏡是尋找暗物質的唯一方法嗎？

“H你認為暗物質問題是如何解決的？”薇拉·C·魯賓在我於2009年天文學女性會議上與她相識幾分鐘後，迫切地問我。直到今天，我仍然不記得我當時的回答。我驚呆了：這位因發現暗物質存在的確鑿證據而獲得國家科學獎章的著名天文學家，竟然在向我，一位二十多歲的博士生，徵求意見。我確信，無論我想出了什麼，都不是很好，因為直到那時，我才開始認真思考這個問題。直到魯賓徵求我的意見，我才意識到自己有權對這個問題發表意見。

如果我對我的回答讓她失望了，她也沒有表現出來。相反，她邀請我和她以及其他一些女天文學家，包括前美國國家航空航天局局長南希·格蕾絲·羅曼一起共進午餐。然後，魯賓開始對羅曼表示狂熱的喜愛，羅曼經常被稱為“哈勃太空望遠鏡之母”。對我來說，這是一個相當難忘的時刻，我看到一位發現了我們時代最偉大的科學謎團之一的老婦人興奮地向我們介紹她自己的英雄。

魯賓在20世紀60年代鞏固了她的遺產，當時她研究了星系內部的恆星，並發現了一些奇怪的現象：星系外圍的恆星比它們應該的速度移動得更快，就好像那裡有看不見的物質在提供引力一樣。她的工作呼應了弗裡茨·茲威基在1930年代早期對星系團的研究結果，這些研究使他提出了Dunkle Materie的存在，德語意為“暗物質”。在整個1970年代，魯賓和天文學家肯特·福特發表了與這一結論一致的資料，到1980年代早期，科學家們普遍認同物理學存在暗物質問題。

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大多數在實驗室追蹤暗物質的嘗試都屬於三個類別。所謂的直接探測實驗旨在尋找暗物質粒子透過非引力基本力之一——弱力以及假設的新力與正常物質粒子（例如元素氙）相互作用的證據。在日內瓦附近的大型強子對撞機等對撞機實驗採取相反的方法，將兩個普通粒子碰撞在一起，希望產生暗物質粒子。與此同時，“間接探測”實驗旨在尋找暗物質與自身相互作用的證據，由此產生的碰撞會產生可觀測的粒子。

到目前為止，這些策略都沒有找到丟失的物質。我們仍然不知道暗物質是否可以透過引力以外的任何方式與正常物質對話。它可能無法在我們能夠建造的加速器中產生，也無法在我們能夠構建的實驗中探測到。因此，天文觀測——對暗物質的宇宙探測——是我們最好的希望之一。這些探測使我們能夠在地球上難以產生的環境中尋找暗物質的訊號，例如，在中子星內部。更廣泛地說，這些搜尋著眼於暗物質在各種位置的引力作用下的行為。

儘管這種方法在研究暗物質方面具有前景，但它有時會陷入天文學和物理學界之間的中間地帶。物理學家傾向於強調對撞機和實驗室實驗，並不總是優先考慮與天體物理學工作的聯絡。天文學家傾向於將暗物質視為粒子物理學問題而置之不理。這種脫節對資金有影響。在2022年，我們有機會改變這種狀況。2020年代初標誌著一個名為“雪堆粒子物理學界規劃練習”的重要過程的開始。這個專案大約每十年舉行一次，彙集物理學家向國會授權的小組解釋未來的科學專案，該小組決定科學優先事項。宇宙暗物質探測首次成為一個獨特的考慮主題。儘管“雪堆”不提出正式的政策建議，但在組織結構的每個階段，都會做出關於強調哪些科學的決策，這肯定是事實。

暗物質候選者宇宙

關於暗物質，我們仍然有很多不知道的地方，但自從魯賓在1970年代和1980年代的工作以來，我們已經走了很長一段路。我們現在有充分的證據表明，每個星系都生活在自己的暗物質氣泡中——稱為暗物質暈——它遠遠超出星系的可見部分。這些星系暈系統中的暗物質數量超過了恆星、行星和氣體中的物質數量。換句話說，我們在實驗室和對撞機中能夠識別的所有粒子——統稱為粒子物理學的標準模型——僅佔宇宙中正常引力物質的約20％。如果我們考慮到暗能量以及物質和能量在根本上是等價的，我們只理解了宇宙的約4％。標準模型既是一項驚人的成就，也是一個顯然非常不完整的理論。我們需要一個新的粒子或多個粒子來解決這個問題。

物理學家現在有各種各樣的暗物質候選者。大多數科學家傾向於“冷暗物質”候選者——即移動相對緩慢的粒子（意味著，以遠低於光速的非相對論速度）。在冷暗物質類別中，經典的模型之一是弱相互作用大質量粒子（WIMP）。科學家們推測，WIMP會在早期宇宙中自然形成，並預測它們會透過弱力與正常物質發生某種相互作用。最流行的WIMP模型屬於一類稱為費米子的粒子——這類粒子包括電子和夸克。

長期以來，WIMP是最受青睞的暗物質候選者，尤其是在美國。然而，近年來，觀點發生了轉變，因為WIMP的證據未能出現在大型強子對撞機或任何直接和間接探測實驗中。

宇宙探測使我們能夠在地球上難以產生的環境中尋找暗物質的訊號，例如，在中子星內部。

最近，粒子物理學界對另一種假設的暗物質候選者感到興奮：軸子。預計軸子的質量比WIMP小，而且它們不是費米子。相反，軸子屬於一類稱為玻色子的粒子——該類別包括光子或光粒子。作為玻色子，軸子具有與WIMP根本不同的特性，這為它們可能形成的結構打開了一個有趣的可能。軸子是我最初進入暗物質研究領域的契機。

WIMP 的誘人替代品

從我與薇拉·魯賓的談話到我第一次嘗試回答她向我提出的問題，過去了五年。那時是2014年，我成為了麻省理工學院的馬丁·路德·金，博士後研究員，首先被任命到卡夫利天體物理學和空間研究所，然後是理論物理中心（CTP），並正在尋找一些有趣的研究方向。正是在那裡，當時也是CTP博士後研究員的馬克·赫茨伯格和我首次開始討論物理學家之間爆發的一場辯論：軸子能否形成原子物理學中已知的一種奇特狀態，稱為玻色-愛因斯坦凝聚態？

這種可能性源於玻色子和費米子之間的一個根本區別。費米子必須遵守泡利不相容原理，這意味著兩個費米子不能共享相同的量子態。這個規則就是為什麼化學中的電子軌道如此複雜的原因：因為圍繞原子的電子不能佔據相同的量子態，它們必須以不同的模式分散，具有不同的能量，稱為軌道。相比之下，軸子可以共享一個量子態。這種能力意味著，當我們充分冷卻它們時，它們都可以進入相同的低能量狀態，並像一個超粒子一樣集體行動——玻色-愛因斯坦凝聚態。在我看來，這種情況可能在太空中自然發生，這非常令人興奮。

軸子是在1970年代由赫茨伯格在麻省理工學院的博士生導師弗蘭克·維爾切克提出的，他是最早意識到海倫·奎因和已故的羅伯託·佩切提出的模型的一個結果是一種粒子的人之一，維爾切克以一種洗衣粉品牌“Axion”命名了這種粒子。因此，赫茨伯格已經非常熟悉軸子。然而，我對這個想法相對陌生。我的大部分職業生涯都專注於其他問題，我必須儘快瞭解情況。一路上，我學會了區分傳統軸子和物理學家們開始鬆散地稱為類軸子的粒子類別。

傳統軸子源於佩切-奎因擴充套件到量子色動力學（QCD）理論，該理論描述了四種基本力中的另一種——強力。儘管QCD是一個非常成功的模型，但它也預測了我們從未觀察到的現象。佩切和奎因的工作解決了這個問題，同時為產生暗物質提供了一種機制。但是，另一個稱為弦理論的思想也提出了一系列與原始軸子具有相同數學結構的粒子；這些粒子被稱為類軸子。傳統QCD軸子通常被認為質量約為10^–35千克——比電子輕幾個數量級——但來自弦理論的更大類別的軸子可以輕得多，低至10^–63千克。

赫茨伯格和我與我們的博士後導師艾倫·古思一起完成的工作使我們對關於軸子如何形成玻色-愛因斯坦凝聚態的一種流行觀點提出了質疑。佛羅里達大學的傑出物理學家皮埃爾·西基維在2009年提出QCD軸子會在早期宇宙中形成大型凝聚態時，引起了極大的轟動。他的計算表明，它們會形成環狀星系暈，而不是大多數天文學家期望的球形暈，以及WIMP模型預測的球形暈。如果是這樣，那麼我們或許可以透過觀察星系暈形狀來判斷暗物質是由什麼構成的。

但是，當馬克、艾倫和我坐下來檢查西基維的小組是如何得出這一預測時，我們得出了一個截然不同的結論。儘管我們同意軸子玻色-愛因斯坦凝聚態會在早期宇宙中形成，但它們會小得多——只有小行星大小。我們的模型也沒有給出任何跡象，表明在當今宇宙中，我們可能會發現何種軸子結構在數十億年後。嘗試更好地模擬我們如何——以及是否——從小行星大小的凝聚態發展到今天的星系尺度暗物質暈，仍然是一個重大的計算挑戰。

在我們論文發表的同一年，另一個小組正在研究類軸子的其他有趣含義。由臺灣大學的施啟佑領導的一個團隊發表了某些類軸子的計算機模擬，這些類軸子通常被稱為“超輕軸子”或“模糊暗物質”，之所以這樣命名，是因為它們質量非常小，並且會像模糊的波而不是點狀粒子一樣行動。他們表明，這些粒子可以形成具有波狀暗物質暈，核心是玻色-愛因斯坦凝聚態。施啟佑的論文引發了人們對超輕軸子的新興趣，並提高了人們的希望，即天體物理學觀測可以探測到我們期望的波狀暈結構的跡象。

如今，軸子和類軸子與WIMP一起成為我們對暗物質可能是什麼的最佳猜測之一。另一個越來越受歡迎的類別是一種稱為自相互作用暗物質（SIDM）的模型。這個想法預測費米子暗物質粒子彼此之間存在某種相互作用——一種自相互作用——超越引力。這些自相互作用可能會在星系暈內建立比光滑球形斑點更有趣的形狀和結構。然而，結構的具體細節很難預測，並且取決於粒子的質量和其他特徵。有趣的是，軸子也可能彼此相互作用，儘管方式與自相互作用費米子不同。

WIMP、軸子和SIDM 之外還有一種替代方案：中微子。儘管現在已知標準模型中微子的質量太小，無法解釋所有丟失的物質，但這些中微子是真實存在的，並且難以看到，這使得它們在功能上成為我們稱之為宇宙中微子背景的暗物質的一小部分。此外，還假設了一種新型中微子作為標準模型中微子的伴侶：惰性中微子。惰性中微子的獨特之處在於它們主要透過引力相互作用，僅透過標準模型力輕微相互作用。此外，它們可能是最流行的溫暗物質——或至少介於熱暗物質和冷暗物質之間的暗物質提案。

理論學家剛剛開始探索的另一個想法是，暗物質可能不是單一的暗物質粒子，而可能是一個完整的扇區。也許暗物質是由傳統軸子、類軸子、WIMP、惰性中微子和SIDM——所有這些共同組成。另一種誘人的可能性是，暗物質實際上包含早期宇宙中形成的恆星質量黑洞。在2017年引力波的探測表明這種質量範圍內的黑洞比預期的更常見之後，這種選擇變得更加流行。

天空中的線索

在天文學中，我們是相對被動的觀察者。我們可以選擇我們的儀器，但我們無法設計星系或恆星過程並觀看其展開。宇宙現象很少發生在人類友好的時間尺度上——星系形成需要數十億年，而可能發射暗物質粒子的宇宙過程會在數十年到數百年內發生。

即便如此，暗物質的天體物理學探測可以告訴我們很多資訊。例如，美國宇航局費米伽馬射線太空望遠鏡已經充當了暗物質實驗，尋找只能用暗物質解釋的伽馬射線訊號。例如，WIMP被預測是它們自己的反物質夥伴，這意味著如果兩個WIMP碰撞，它們會像物質和反物質接觸時一樣相互湮滅。這些爆炸應該在暗物質存在的地方，特別是在暗物質最密集的星系核心，產生大量的伽馬射線光。

事實上，費米望遠鏡確實在銀河系中心看到了過量的伽馬射線光。這些觀測結果引發了觀察者和理論家之間的激烈辯論。一種解釋是，這些焰火是暗物質相互碰撞的結果。另一種可能性是，訊號來自銀河系中心附近的 neutron stars，它們在其生命的正常過程中發射伽馬射線光。一些天體物理學家贊成更平凡的 neutron star 解釋，但另一些人認為訊號是暗物質。存在分歧是正常的，甚至我也很難決定我的想法。我被物理學家特蕾西·斯萊特耶和麗貝卡·利恩的深思熟慮的研究所吸引，他們的研究表明暗物質解釋是合理的，但最終，只有對更詳細的觀測結果進行分析才能說服社群接受任何一種想法。來自費米望遠鏡的未來資料和擬議的實驗，例如美國宇航局的全天中能伽馬射線天文臺探索者（簡稱AMEGO-X），有可能解決這場辯論。

科學家們還利用費米望遠鏡尋找軸子的證據。理論預測，當軸子遇到磁場時，它們偶爾會衰變成光子。我們希望透過長距離觀察，我們可能會看到這種光的跡象，從而證明軸子的存在。而 neutron stars——銀河系中心潛在的混淆訊號——實際上是尋找暗物質的好地方。一些理論表明，這些緻密的自旋星在質子和中子在其核心碰撞時會產生軸子。我們或許能夠觀察到這些軸子，因為它們會衰變成光子並從恆星中逃逸出來。並且隨著 neutron stars 在數十年到數百年內釋放暗物質，它們會以我們可能能夠測量的模式冷卻下來——如果我們觀察足夠長的時間。另一個熱門的研究課題是非軸子暗物質是否會聚集在 neutron stars 中，從而影響恆星的結構。作為美國宇航局 neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) 合作組織的成員，我領導了一個研究專案，使用來自 NICER 的資料，NICER 是國際空間站上的一個小望遠鏡。我們的專案旨在尋找暗物質存在於 neutron stars 內部或包圍 neutron stars 的證據，我們仍在努力回答關於暗物質可能如何影響這些恆星的熱力學性質的問題。

我們還可以透過研究我們迄今為止擁有的關於暗物質存在的最佳證據——宇宙微波背景（CMB）輻射，來更多地瞭解暗物質的性質。這種光是起源於早期宇宙的無線電訊號，它無處不在，就在我們周圍。它提供了宇宙歷史早期時刻的快照，我們在其光頻率中看到的模式反映了宇宙在建立時的組成。事實證明，我們只能透過假設暗物質存在來解釋我們在 CMB 中看到的模式——如果沒有暗物質，CMB 資料將毫無意義。資料中的模式告訴我們暗物質佔總質量和能量的比例；它們甚至有助於限制暗物質粒子的可能質量。CMB-Stage 4 合作組織正準備使用位於智利阿塔卡馬沙漠和南極的一系列望遠鏡，對 CMB 進行迄今為止最詳細的測量。

展望未來

自從2009年天文學女性會議以來，魯賓和羅曼都已去世，但她們的遺產透過旨在幫助我們更好地瞭解宇宙的專案而延續下來。美國宇航局南希·格蕾絲·羅曼太空望遠鏡計劃於2027年發射，儘管它主要專注於研究宇宙加速（“暗能量問題”）和系外行星，但它也將提供對暗物質的見解。在地球上，位於阿塔卡馬沙漠的薇拉·C·魯賓天文臺將支援對許多問題的研究，包括尋找使魯賓成名的暗物質。

換句話說，在未來幾年，我們有很多值得期待的事情。原因之一是，幾乎任何大規模的天文觀測都可以告訴我們一些關於暗物質的資訊。例如，墨西哥的一個團隊（部分由阿爾瑪·X·岡薩雷斯-莫拉萊斯和路易斯·阿圖羅·烏雷尼亞-洛佩斯領導）表明，我們可以利用引力透鏡現象（即大質量彎曲時空，使其像哈哈鏡一樣），來限制模糊暗物質的質量。岡薩雷斯-莫拉萊斯和烏雷尼亞-洛佩斯都積極參與了魯賓天文臺的太空和時間遺產巡天專案，致力於引力透鏡並參與暗物質工作組。在工作組內，我們討論了將捕獲有關暗物質暈更詳細資訊的觀測結果，然後可以將其與擬議的暗物質候選者的計算機模擬進行比較。同樣，羅曼望遠鏡對大規模結構的巡天將提供對暗物質在宇宙尺度上的行為的見解。

做科學研究不僅僅是計算、觀測和實驗；它還包括與其他人（包括政策制定者）合作。

未來，擬議的 X 射線天文臺，例如美國宇航局光譜時間分辨寬頻能量 X 射線天文臺（STROBE-X），可以幫助我們更仔細地觀察 neutron star 結構，從而增強我們對暗物質可能特性的理解。其他擬議的未來專案，例如美國宇航局的全天中能伽馬射線天文臺或 AMEGO（不要與 AMEGO-X 混淆），將在不同的波長上做同樣的事情。

我不僅作為一名科學家積極參與，而且還作為雪堆宇宙前沿主題“暗物質：宇宙探測”的三位召集人之一（與亞歷克斯·德里卡-瓦格納和海波·於一起）積極參與。我們的目標是向資金決策者描述天體物理學尋找暗物質的興奮和可能性。我幫助編寫的檔案旨在幫助美國國家科學基金會和美國能源部決定我們在未來十年將進行哪些研究。

巧合的是，天文學界最近也完成了一個類似的過程，稱為“2020年天文學和天體物理學十年調查”。由此產生的報告迴避了實質性地解決暗物質問題，但它仍然為更好地繪製 CMB 地圖、研究 neutron stars 的儀器和 X 射線天文臺提供了強有力的支援——這三個目標都將幫助我們理解暗物質。

做科學研究不僅僅是計算、觀測和實驗；它還包括與其他人（包括政策制定者）合作。我們取得多少進展將在一定程度上取決於我們從立法者那裡獲得何種支援。當然，思考這個問題會讓人感到壓力。好訊息是，有一個宇宙值得我們去思考，而試圖理解暗物質是一個很好的消遣。