「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（FritzZwicky）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。
暗物質假設性粒子
科學家對暗物質還有很多不了解之處，但從魯賓在1970年代和1980年代所做的研究以來，已經取得很大的進展。目前已有充份證據指出，每個星系都位在自己的暗物質泡泡，這些所謂「暗物質暈」（dark matter halo）的分佈範圍遠超出星系的可見區域。這些星系－暈系統中暗物質的量比恆星、行星和氣體中物質的量更多。換句話說，在實驗室和粒子對撞機中已經確認的所有粒子（亦即粒子物理學標準模型所預測的）大約只佔了宇宙中正常重力物質的20%；如果考慮到暗能量以及物質和能量在本質上等價的事實，對於宇宙的了解就大約只剩4%。標準模型雖是驚人成就，但顯然是極不完整的理論，科學家需要一種或多種新粒子來解決這個問題。
物理學家猜想暗物質是由各式各樣的假設性粒子組成。大多數科學家偏愛相對緩慢運動的「冷暗物質」（cold dark matter）粒子，也就是以比光速更慢的非相對論性速度運動。弱作用大質量粒子（WIMP）是在冷暗物質類別中的經典模型之一。科學家認為WIMP會在早期宇宙中自然形成，並預測WIMP藉由弱作用力與正常物質發生某種交互作用。最受歡迎的WIMP模型屬於一類稱為費米子（fermion）的粒子（電子和夸克也屬於這類粒子）。
長久以來，WIMP是最受青睞的暗物質假設性粒子，特別是在美國學界。不過，由於WIMP的證據一直未能顯現在LHC或任何直接探測和間接探測的實驗中，近年來科學家的觀點已發生變化。
最近，粒子物理學界對另一個暗物質假設性粒子感到興奮：軸子（axion）。科學家猜想軸子比WIMP更輕，而且不是費米子。相反地，軸子屬於一類稱為玻色子（boson）的粒子（光子亦屬於此類）。軸子屬於玻色子，與WIMP具有完全不同的特性，為軸子可能形成的結構打開了一扇引人入勝的大門。軸子是最初吸引我投身暗物質研究的原因。
實驗類別 獵捕暗物質
科學家知道無法看見所有物質，而直到目前為止，尋找暗物質並發掘其特性的嘗試也尚未成功。搜索暗物質的研究持續進行中。
迷人的軸子從我與魯賓的對話到我第一次嘗試回答她向我提出的問題，已經過了五年。當時是2014年，我是美國麻省理工學院（MIT）的馬丁路德．金恩博士後學者，先分派到科維理天文物理與太空科學研究所，然後到MIT理論物理中心（CTP），嘗試探索一些有趣的研究。當時任職於CTP的博士後研究員赫茲伯格（Mark Hertzberg）和我第一次開始談論物理學家之間引發的辯論：軸子能否形成原子物理學中一種稱為玻色－愛因斯坦凝聚體（Bose-Einstein condensate）的奇異狀態？
這種可能性源自於玻色子和費米子的根本區別。費米子必須遵循包立不相容原理，這意味著兩個費米子不能共享相同的量子態。這條規則解釋了為何化學中的電子軌域（orbital）如此複雜：因為繞著原子運行的電子不能佔據相同的量子態，必須以不同的模式分散開來，形成具有不同能量的軌域。
換句話說，軸子可以共享一個量子態。這代表當軸子冷卻到極低溫時，可以處於相同的低能量狀態，並且就像一個超粒子般集體行動，形成玻色－愛因斯坦凝聚體。在我看來，這種情況在太空中自然發生的可能性是相當令人興奮。
軸子是赫茲伯格就讀MIT博士班的導師威爾切克（Frank Wilczek）於1970年代提出，他是最早察覺到奎因（Helen Quinn）和已過世的皮塞（Roberto Peccei）所提出的粒子物理模型會產生新粒子的學者之一。威爾切克用洗衣粉品牌把新粒子命名為「軸子」。因此，赫茲伯格對軸子已相當熟悉，但我對這一概念比較陌生。我學術生涯的大部份時間都專注於其他問題，因此我必須加快步伐。在跟上進度的過程中，我學會了區分傳統的軸子與物理學家籠統稱為類軸子（axionlike）的粒子。
傳統的軸子起源於皮塞與奎因對量子色動力學（QCD）理論的擴展。儘管描述強作用力（strong force，四種基本作用力之一）的QCD是非常成功的模型，但也預測了從未觀察到的現象。皮塞與奎因的研究成果解決了這個問題，同時提出一種可能產生暗物質的機制。但另一種稱為弦論的理論也提出一連串與傳統軸子具有相同數學結構的粒子；這些粒子泛稱為類軸子。理論預測傳統QCD軸子的質量約為10-35公斤，比電子輕幾個數量級，但弦論中更大一類的軸子可能輕得更多，低至10-63公斤。
赫茲伯格和我與我們的博士後導師古斯（Alan Guth）共同完成的研究成果，對軸子如何形成玻色－愛因斯坦凝聚體的流行觀點提出了質疑。弗羅里達大學的席基維（Pierre Sikivie）是傑出的物理學家，在2009年提出QCD軸子將在非常早期的宇宙中形成大型凝聚體，引發眾人極大的興奮。根據他的計算，這些軸子會導致環狀星系暈，而非大多數天文學家和WIMP模型所預期的球狀暈。如果真的是這樣，或許可以透過觀察暈的形狀來判斷暗物質的組成。
當赫茲伯格、古斯與我坐下來檢查席基維團隊如何得出這一預測的時候，卻得到完全不同的結論。雖然我們同意軸子會在早期宇宙中形成玻色－愛因斯坦凝聚體，但應該只是如小行星般的大小。我們的模型也無法顯示在歷經數十億年的演變後，今天的宇宙中會出現哪種型式的軸子結構。
試圖建立更好的模型，以模擬能否以及如何從小行星般大小的凝聚體演變成今天的星系尺度暗物質暈，仍然是重大的計算挑戰。
在我們發表論文的同一年，另一個團隊正在研究類軸子粒子的其他有趣影響。由台灣大學薛熙于（Hsi-Yu Schive）所屬的團隊發表了對某些類軸子粒子的電腦模擬，這些粒子通常稱為「超輕軸子」或「模糊暗物質」（fuzzy dark matter），之所以這樣命名，是因為它們的質量非常低，就像模糊的波，而非點狀粒子。他們的研究成果顯示，這些粒子可以形成像波一樣的暗物質暈，其核心就是玻色－愛因斯坦凝聚體。薛熙于團隊發表的論文引起學界對超輕軸子的興趣，指出天文物理觀測有望探測到波狀暈結構的跡象。
如今，軸子與類軸子粒子和WIMP都是科學家對暗物質組成的最佳猜測。另一個越來越受歡迎的種類是稱為自交互作用暗物質（SIDM）的模型。這個想法預測了歸類於費米子的暗物質粒子之間，有某種除了重力之外的自交互作用。這些自交互作用可在暗物質暈內創造出比平滑球體更有趣的形狀和結構。不過，這些結構的具體細節很難預測，而且取決於粒子的質量與其他特性。有趣的是，軸子可能也有自交互作用，儘管其方式與自交互作用費米子不同。
微中子是WIMP、軸子和SIDM之外的另一選項。雖然現在已知標準模型預測的微中子質量太低，無法解釋所有「失蹤的物質」，但這些難以偵測的微中子真實存在。這使微中子在特性上只算是暗物質的一小部份，稱為宇宙微中子背景（cosmic neutrino background）。此外，可能有一種新型微中子是標準模型所預測的微中子的同伴：惰性微中子（sterile neutrino）。由於惰性微中子主要透過重力產生作用，且只輕微涉及標準模型相關的其他作用力，是一種與眾不同的粒子。惰性微中子可能是最受歡迎的溫暗物質（或者至少是介於冷熱之間）模型。
理論學家剛開始探索的另一個想法是，暗物質可能由一整群粒子構成，而非單一種粒子。又或許暗物質是由傳統的軸子、類軸子粒子、WIMP、惰性微中子和SIDM所共同組成。另一項誘人的可能性是，暗物質由早期宇宙所產生的恆星質量等級的黑洞所構成。自2017年對重力波的觀測結果顯示，這一質量範圍內的黑洞比預期的更常見，此後這一選項越來越受歡迎。
理論分類 熱門的暗物質類別
科學家提出許多理論，來探討暗物質的本質。大多數科學家認為，那些「失蹤的物質」是由尚未發現的粒子所組成，這些假設性粒子可分為兩類：費米子（fermion）和玻色子（boson）。
從宇宙找線索
在天文學中，人類是相對被動的觀察者。我們可以選擇使用的儀器，但無法自己設計星系或恆星的演變過程，然後觀察它發展。宇宙現象很少發生在適合人類觀察的時間尺度上，例如星系的形成需要數十億年，而可能釋出暗物質粒子的宇宙過程則需要數十到數百年。
即使如此，針對暗物質的天文物理探測可以獲得很多資訊。舉例來說，NASA費米γ射線太空望遠鏡透過尋找只能由暗物質解釋的γ射線特徵，等同於進行暗物質實驗；WIMP預測為自身的反物質粒子，這意味著一旦兩個WIMP相撞，將如同物質與反物質相撞時彼此湮滅。這些爆炸應該在有暗物質的區域產生大量的γ射線，尤其是在暗物質最密集的星系中心。
事實上，費米γ射線太空望遠鏡確實在銀河系中心看到大量γ射線，此觀測結果引發了實驗學家與理論學家的熱烈爭論。一種解釋是，這些γ射線是暗物質與自身碰撞的結果。另一種可能是，該訊號來自於銀河系中心附近的中子星，這些中子星在典型的一生過程中會發出γ射線。
一些天文物理學家偏愛平凡的中子星解釋，但其他人認為這類γ射線是由暗物質發出。意見分歧是正常的，連我也很難決定自己的想法。我受到物理學家史萊堤爾（Tracy Slatyer）和林恩（Rebecca Leane）深思熟慮的研究所吸引，她們的研究表明暗物質的解釋是合理的，但最終只有分析更詳細的觀測結果，才能說服科學社群裡的任何一種想法。費米γ射線太空望遠鏡以及尚在研議的實驗儀器，例如NASA全天中能量γ射線觀測站探測器（AMEGO-X），在未來獲得的觀測數據才有可能解決這場爭論。
科學家還使用費米γ射線太空望遠鏡來尋找軸子的證據。當軸子遇到磁場時，理論預測軸子偶爾會衰變為光子。科學家希望透過遠距離觀測來發掘這種光的跡象，從而證實軸子的存在。
此外，中子星這種位於銀河系中心潛在的訊號干擾源，其實是尋找暗物質的好處所。有些理論認為當質子與中子在其核心發生碰撞時，這些緻密的旋轉恆星會產生軸子。
當這些軸子衰變為光子並逃離恆星時，科學家或許能夠觀察到這種跡象。隨著中子星在數十到數百年內釋出暗物質，會以一種可能得以測量的模式冷卻下來，前提是觀測時間夠久。目前另一項熱門的研究課題是，非軸子暗物質可否聚集在中子星裡，進而影響該恆星的結構？身為NASA中子星內部組成探測器（NICER）的合作成員，我正主持一項使用NICER數據的研究計畫。NICER是國際太空站上的一具小型望遠鏡，預計於今年進行升級。
我的團隊計畫尋找暗物質存在於中子星內部或包覆著中子星的證據。
科學家還可透過研究現今所擁有關於暗物質存在的最佳證據：宇宙微波背景（CMB）輻射，來了解更多關於暗物質的特性。這種無所不在的無線電波訊號起源於早期宇宙，分佈在我們周圍的每個角落。它提供了宇宙早期歷史的一幅快照，在其頻率中看到的模式反映了宇宙創生時的組成。
事實證明，只能假設暗物質的存在來解釋在CMB中所看到的模式，如果沒有暗物質，CMB數據將毫無意義。CMB數據中的模式告訴我們，暗物質佔了多大比例的總質量和能量；這些數據甚至有助於限縮暗物質粒子可能的質量範圍。在我寫這篇文章時，CMB第四階段的合作計畫正準備使用位在智利亞他加馬沙漠和南極的望遠鏡，對CMB進行迄今為止最詳盡的測量。
多方偵查暗物質
自2009年女性天文學會議以來，魯賓和羅曼相繼逝世，但透過那些企圖更進一步理解宇宙性質的計畫，她們的科學成果得以傳承下去。NASA羅曼太空望遠鏡將在2020年代中期發射，儘管主要側重於研究宇宙加速膨脹（即「暗能量問題」）和系外行星，但也將提供對暗物質的深刻理解。同時，位於亞他加馬沙漠的魯賓天文台將進行同時探究多種問題的研究，包括尋找讓魯賓成名的暗物質。
換句話說，未來幾年我們有很多值得期待的事。一個原因是，幾乎任何大規模的天文觀測都能提供關於暗物質的訊息。例如，由龔薩雷茲－莫瑞斯（Alma X. Gonzalez-Morales）和烏雷納－羅培茲（Luis Arturo Ureña-López）領導的墨西哥團隊表明，大質量天體把時空彎曲得像哈哈鏡般的重力透鏡現象，可用來限縮模糊暗物質的質量範圍。龔薩雷茲－莫瑞斯和烏雷納－羅培茲都積極參與魯賓天文台的時空遺產巡天（Legacy Survey of Space and Time）計畫，致力於研究重力透鏡並參加暗物質工作小組。
在該小組內，我們討論可能捕捉到暗物質暈細節的觀測資訊，然後將其與可能的暗物質假設性粒子的電腦模擬進行比較。同樣地，羅曼太空望遠鏡對大尺度結構的調查，將增進對暗物質在宇宙尺度上現象的深刻理解。
未來，尚在研議的X射線觀測站，例如NASA的X射線寬頻能量光譜時間解析天文台（STROBEX），有助於更仔細觀察中子星的結構，以增進對暗物質可能特性的理解。諸如NASA全天中能量γ射線觀測站（AMEGO，並非AMEGO-X）等其他研議中的未來計畫，將在不同波長上進行同樣的探測。
子彈星系團：錢卓X射線太空望遠鏡的觀測結果，顯示了兩個星系團碰撞時普通物質的位置（粉紅色）。重力透鏡的研究指出大部份質量（藍色）與普通物質分離，為暗物質的存在提供有力的證據。
身為科學家，且與德里卡－瓦格納（Alex Drlica-Wagner）和于海波（Hai-Bo Yu）同為斯諾馬司宇宙前沿暗物質主題的召集人，我將積極規劃針對暗物質的宇宙探測。我們團隊的責任是向預算決策者描述以天文物理方法搜尋暗物質的新奇成果與可行性。我幫忙製作的文件可能將會影響美國國家科學基金會（NSF）和美國能源部的建議，進而左右未來十年所進行的研究。
巧合的是，天文學界近期完成了一個類似過程，即2020年天文學與天文物理學十年研究。該調查報告雖然實質迴避了暗物質問題，但仍強力支持繪製更精細的CMB分佈圖、研究中子星的儀器和X射線觀測站等目標，這三項目標也將有助於增進對暗物質的理解。
科學工作從來都不僅限於計算、觀察和實驗，還涉及與包括預算決策者在內的其他人合作。科學家能取得多大的進展，有一部份取決於立法者提供哪些支持。當然，壓力會伴隨著這樣的考慮而來。
好消息是，宇宙充滿了不可思議的新奇事物，而單是試圖理解暗物質，就已令人欣喜若狂。
本文授權轉載自：科學人
責任編輯：傅珮晴、侯品如
