港大天体物理学家研究时空皱纹揭示暗物质本质

宇宙中的大部分物质(按质量计达到惊人的 85%)无法被观察到，并且由粒子物理标准模型未考虑的粒子组成(见备注 1)。这些粒子被称为暗物质，它们的存在可以从它们对来自遥远星系的光的引力效应中推断出来。找到构成暗物质的粒子是现代物理学中的一个紧迫问题，因为它支配着质量，因此支配着星系的引力——解开这个谜团可以导致超越标准模型的新物理学。

虽然一些理论模型提出超大质量粒子的存在可能是暗物质的候选者，但其他人则提出超轻粒子。由香港大学物理系Jeremy LIM博士团队的博士生Alfred AMRUTH领导的天体物理学家团队，与香港大学诺贝尔物理学奖得主George SMOOT教授合作科学技术博士(科大)和天体物理中心研究员Razieh EMAMI博士| Harvard & Smithsonian (CFA) 提供了最直接的证据，证明暗物质并不像通常认为的那样构成超大质量粒子，而是由非常轻的粒子组成，它们像波浪一样在太空中传播。他们的工作解决了二十年前首次提出的天体物理学中的一个悬而未决的问题：为什么采用超大质量暗物质粒子的模型无法正确预测由引力透镜产生的同一星系的多个图像的观测位置和亮度?研究结果最近发表在 自然天文学。

暗物质不发射、吸收或反射光，这使得使用传统的天文技术难以观察。今天，科学家们研究暗物质的最强大工具是通过引力透镜，这是爱因斯坦在他的广义相对论中预测的一种现象。在这个理论中，质量导致时空弯曲，造成光围绕大质量物体(如恒星、星系或星系群)弯曲的现象。通过观察这种光的弯曲，科学家们可以推断出暗物质的存在和分布——以及正如本研究所证明的那样，推断出暗物质本身的性质。

如图 1 所示，当前景透镜物体和背景透镜物体——都构成图中的单个星系——紧密对齐时，可以在天空中看到同一背景物体的多个图像。多重透镜图像的位置和亮度取决于暗物质在前景透镜物体中的分布，从而提供了一个特别强大的暗物质探测。

暗物质性质的另一种假设

在 1970 年代，暗物质的存在得到证实后，被称为弱相互作用大质量粒子 (WIMP) 的假想粒子被提议作为暗物质的候选者。这些 WIMP 被认为是超大质量的——质量至少是质子的十倍以上——并且仅通过弱核力与其他物质相互作用。这些粒子来自超对称理论，旨在填补标准模型的缺陷，并被广泛认为是暗物质最有可能的候选者。然而，在过去的二十年里，天体物理学家采用超大质量粒子来研究暗物质，一直在努力正确地再现如图 2 所示的多重透镜图像的位置和亮度。在这些研究中，

也始于 1970 年代，但与 WIMP 形成鲜明对比的是，试图纠正标准模型缺陷的理论版本，或寻求统一四种基本自然力(标准模型中的三种)的理论版本(例如，弦理论) Model, along with gravity), 提倡超轻粒子的存在。这些被称为轴子的假设粒子被预测比标准模型中最轻的粒子质量小得多，并且构成了暗物质的替代候选者。

根据量子力学理论，超轻粒子以波的形式在空间中传播，大量的粒子相互干扰，导致密度随机波动。暗物质中的这些随机密度波动会导致时空出现褶皱，如下图 3 所示的星系周围的暗物质。正如所料，星系周围不同的时空模式取决于暗物质是超大质量粒子还是超轻粒子——光滑还是褶皱——应该会导致背景星系的多透镜图像的位置和亮度不同，如上图所示数字。

在港大 Jeremy LIM 博士团队的博士生 Alfred AMRUTH 领导的工作中，天体物理学家首次计算出包含超轻暗物质粒子的星系生成的引力透镜图像与包含超大质量暗物质粒子的星系产生的引力透镜图像有何不同。

他们的研究表明，通过采用包含超轻暗物质粒子的模型，可以解决观察到的位置和预测位置之间的一般差异程度，以及由包含超大质量暗物质的模型生成的多透镜图像的亮度。此外，他们证明，包含超轻暗物质粒子的模型可以重现观察到的多透镜星系图像的位置和亮度，这是一项重要成就，揭示了星系周围时空的褶皱而非光滑性质。

林博士解释说：“正如科学界长期以来所倡导的那样，暗物质不包含超大质量粒子的可能性缓解了实验室实验和天文观测中的其他问题。” “实验室实验在寻找 WIMPs 方面一直非常不成功，WIMPs 是暗物质的长期青睐的候选者。此类实验已进入最后阶段，在计划中的达尔文实验中达到顶峰，如果 WIMP 未被发现，则无处可藏(见备注 2)。

巴斯克大学伊克巴斯克教授、香港大学客座教授、该论文的合著者汤姆布罗德赫斯特教授补充说：“如果暗物质包含超大质量粒子，那么根据宇宙学模拟，应该有数百个银河系周围的卫星星系。然而，尽管进行了深入的搜索，到目前为止只发现了大约五十个。另一方面，如果暗物质包含超轻粒子，那么量子力学理论预测，由于这些粒子的波干涉，低于一定质量的星系根本无法形成，这解释了为什么我们观察到周围缺乏小卫星星系。银河系。'

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