台大研究天文物理暗物質提出"極輕型粒子"新解

新網記者歸鴻亭台北特稿
2014/7/2 下午 06:46:12 / 天文地理

　近代天文物理觀測的重大謎團，是無法解釋宇宙中約85%的暗物質(dark matter)究竟為何物。由全球8千位物理學家共同參與位於日內瓦近郊的「大強子對撞機」，自2008年運轉以來，至今也尚未有新物理的發現。

台大天文物理所教授闕志鴻(左)與台大物理系博士薛熙于(右)說明「暗物質波的量子干涉形成宇宙結構」，首度打破傳統上視暗物質為「重」粒子的觀點，認為暗物質其實是「極輕型粒子」，但密度極大，並據此解釋星系核心超重黑洞的形成。(歸鴻亭攝影)

　由臺灣大學物理系博士薛熙于、臺大天文物理所教授闕志鴻以及西班牙巴斯克大學教授布羅荷斯特共同於2014年7月1日出刊的《自然物理》(Nature Physics)雜誌發表的論文〈暗物質波的量子干涉形成宇宙結構〉(Cosmic Structure as the Quantum Interference of a Coherent Dark Wave)，首度打破傳統上視暗物質為「重」粒子的看法，提出相反的觀點，認為暗物質其實是「極輕型粒子」，但密度極大，並據此解釋星系核心超重黑洞的形成。

　闕志鴻表示，目前粒子物理學家相信傳統暗物質是「重」粒子，有可能在大強子對撞機中找到；但目前讓大家失望的是，大強子對撞機並沒有新的發現，所找到的都是粒子標準模型預測的產物，包括2013年發現的希格斯粒子。其他較小型的重粒子暗物質偵測實驗，如美國礦坑裡的LUX實驗，2014年初也報告了令人失望的結果。再者，傳統的「重粒子」暗物質觀點近年來飽受天文界質疑，因為其特性與矮星系(dwarf galaxies)的觀測不符，學界因此質疑，科學家是否應有新的思維。

最新一期全球知名物理期刊《自然物理》封面，標題為台大天文物理研究團隊發現暗物質為「輕」粒子，提出黑洞形成新解，為宇宙生成提供新的研究方向。(臺灣大學提供)

　他說，「極輕」暗物質的特性跟傳統暗物質為「重」粒子特性剛好相反，它常由「波動」的形式來表現它的存在，是一種「量子波」，波長非常長，約100 到1000 光年，比我們耳熟能詳的半導體裡的電子波長（約為1奈米）長得多，是一種「天文尺度」量子的表現。一般而言，量子波都是出現在微觀的尺度，然而「極輕型」粒子暗物質，謂之「Ψ暗物質」的量子效應不但是巨觀的，甚至可達約一千光年的矮星系尺度。這是因為粒子的波長與粒子的質量成反比，藉由矮星系內部數千顆恆星的觀測數據，這篇論文決定出Ψ暗物質粒子的質量，約為電子的10至28倍。

　如此輕的粒子，總重量又要佔宇宙的85%，這是因為其粒子「密度」必需非常高，在太陽系裡它的密度約為液態水密度的一百萬倍。此時Ψ暗物質處於一種特別的凝聚態，稱為玻色-愛因斯坦凝聚態(Bose-Einstein Condensate)。整個太陽系浸泡在這種極度濃稠的液體中，但為何無法感受到濃稠的液體，是因為跟它的交互作用極弱，因此若要直接偵測這種暗物質，就要用到與對撞機完全不同的概念。

　闕志鴻指出，量子力學的「粒子─波動二元」的意涵是，電子在大尺度表現粒子的行為，但在小尺度呈現波動的特性。有如20奈米的半導體相對於1奈米電子波長，電子表現出粒子的行為，傳統的半導體製程可以繼續沿用，但將來的5奈米製程，電子已經接近由古典粒子轉為波動，所以半導體需要有嶄新的製程。同樣的道理，矮星系的尺度約數百到一千光年，因此Ψ暗物質可呈現波動特性，但正常星系的大小為一百萬光年，遠大於Ψ暗物質數百光年的波長，因此這裡Ψ暗物質吻合粒子的描述，與傳統暗物質相同。有別於晦暗的矮星系非常難觀測，需要超大型望遠鏡，正常星系容易觀測且觀測數據多，這是為什麼在過去傳統暗物質沒被質疑的原因。

　即使在正常星系裡，可能呈現量子波動的地點在星系核心。若將星系當作一個類似氫原子的量子束縛系統(quantum bound system)，它的基態就處於核心地帶。但這個基態又非常特別，是個非線性的球狀體，與原子不同，數學上稱之為孤立子(soliton)。論文中的模擬計算發現，在距離每一個星系中心約數百光年內，均有一個穩定的孤立子。孤立子是具超高密度的物質波，在傳統的暗物質模型中不存在，為Ψ暗物質的獨特預測。並且作者發現孤立子的重量和星系的重量有特定關係。

台大研究團隊研究宇宙暗物質重大突破，打破傳統的宇宙暗物質理論，提出黑洞形成新解，，引起全球關注。(歸鴻亭攝影)

　過去30年來天文觀測證據顯示，每一個星系核心均有一個超重黑洞，而黑洞重量與星系重量也有特定的關係。Ψ暗物質的超高密度孤立子與超重黑洞形成是否相關，闕志鴻說，科學家相信超重黑洞為可見的物質所組成，並非暗物質構成。孤立子的質量跟超重黑洞相當，均約太陽質量的107至109倍。孤立子是宇宙中最早成型的結構，星系後來形成，超重黑洞是最後形成；並且孤立子的尺度為星系尺度的萬分之一，但又是超重黑洞大小的一萬倍。孤立子是否扮演中繼站的角色，提供一個中尺度的漏斗效應，將星系中心的可見物質灌注到中心餵食黑洞，並且當黑洞成長到跟孤立子相當時，此漏斗效應即終止。

　目前臺大天文團隊正在訂定出這些現象的具體預測，諸如重力透鏡、宇宙早期的嬰兒星系、高紅移的氫譜線等，都是量子波動最有可能被觀測到的現象，而這些項目也是未來大型國際觀測的重點計畫。台大副校長陳良基表示，這一發現具有重大突破性成就，可說「改寫歷史」，翻轉過去科學界對黑洞的解讀。