宇宙中存在著某種東西。我們看不見它，摸不著它，我們只知道它的存在是因為它對宇宙物體施加的引力。幾十年來，關於暗物質的故事一直在不斷揭示這種神秘物質“不是什麼”，可能性逐漸減少，這讓物理學家越來越感到不安。當最後一個候選者被排除時會發生什麼？我們是否註定永遠無法一窺構成宇宙中約 25% 質量的物質的本質？
今年早春，這種令人沮喪的敘述出現了一個充滿希望的轉折。研究人員發現了多年來最引人入勝的線索之一：一種新力的跡象，這種力可能使暗物質能夠“與自身對話”。這一見解將有助於解釋暗物質可能由哪種粒子構成。
這條線索出現在對宇宙一角（稱為阿貝爾3827星系團）的觀測中。天文學家最近透過一種稱為引力透鏡（光線在靠近大質量物體時彎曲）的現象，追蹤了該星系團中四個碰撞星系內暗物質的位置。哈勃太空望遠鏡和智利的甚大望遠鏡的觀測表明，至少其中一個星系周圍的暗物質明顯落後於那裡的普通物質，這表明暗物質粒子之間正在相互作用並減慢自身速度——這是一種前所未見的現象。
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由英國杜倫大學的理查德·馬西領導的天文學家推測，由於這些相互作用沒有影響普通物質，它們必定是透過某種引力以外的、僅影響暗物質的力發生的。例如，交換“暗光子”可能會產生這種力。這種情況可能類似於普通質子透過電磁力相互作用的方式：當兩個質子相互靠近時，每個質子都會釋放一個光子——電磁力的力載體——而另一個質子會吸收它。這種交換傳遞動量，導致兩個質子分離。
這個訊息激發了物理學家尋找答案。“如果這種情況成立，那將意義重大，”紐約大學物理學家尼爾·韋納說，他沒有參與這項研究。暗光子的情景改變了對暗物質最基本和最流行的概念，即暗物質是一種單一型別的粒子，通常被稱為弱相互作用大質量粒子，或WIMP。但是，暗物質不僅涉及暗光子，還涉及奇異相互作用的想法，可能有助於解釋單粒子WIMP暗物質解釋中的一些問題，例如為什麼星系中心比預期密度低。
這個概念還將大大幫助物理學家縮小暗物質候選者的名單。“儘管我們從各種各樣的來源獲得了暗物質的證據，”韋納說，“但到目前為止，除了它的引力相互作用之外，我們還沒有任何明確的跡象。如果它被證明在這種程度上具有自相互作用，它將消除大量關於暗物質可能是什麼的模型。” 特別是，這項於四月在網上釋出，並於六月發表在《皇家天文學會月刊》上的發現，可能與超對稱理論預測暗物質是一種粒子的許多流行版本相沖突。超對稱——一個有吸引力的想法，試圖解釋物理學的許多謎團，例如為什麼希格斯玻色子的質量如此之低——假設宇宙中存在比迄今為止發現的更多的粒子。然而，如果其中一種粒子（可能是WIMP）是暗物質的原因，那麼該理論的大多數版本都不會預測自相互作用。
該研究的合著者表示，現在排除對其觀測結果的更平凡的解釋還為時過早。例如，碰撞星系外部但在地球視線方向上的暗物質可能正在促成引力透鏡。“這項新研究的一個警告是，它只是一個物體，”洛桑瑞士聯邦理工學院的團隊成員大衛·哈維說。“可能存在未知的未知因素正在改變結果。” 之前在其他星系團中的搜尋也沒有看到自相互作用暗物質的跡象，包括哈維領導的 3 月份《科學》雜誌上的一項研究，該研究分析了 72 個星系團碰撞，而不是單個星系。然而，由於星系團的碰撞速度快於星系，暗物質相互作用和拖後的時間較少，因此這兩項發現並不矛盾。
如果最近的觀測結果最終未能反映新的力或暗物質相互作用，那麼阿貝爾3827將成為暗物質不是什麼的又一個例子。與此同時，地下探測器中尋找暗物質粒子的工作繼續一無所獲，暗物質也未能出現在歐洲核子研究中心的大型強子對撞機中。科學家們希望這些趨勢可能很快會改變：對撞機於四月以迄今為止最高的能量水平重新啟動，探測器現在極其敏感。“暗物質一直難以捉摸，但我們從未擁有我們將要擁有的資料，”哈維說。“我覺得現在是時候了。”