宇宙中的大部分物质，按质量计算达到惊人的85%，是无法观测到的，它们由粒子物理学标准模型无法解释的粒子组成(见注释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。在现代物理学中，寻找构成暗物质的粒子是一个紧迫的问题，因为它主宰着质量，因此也主宰着星系的引力——解决这个谜团可以带来超越标准模型的新物理学。
虽然一些理论模型提出存在超大质量粒子作为暗物质的可能候选者，但其他理论模型认为存在超轻粒子。由香港大学(港大)物理系林杰里米博士团队的博士生Alfred AMRUTH带领的天体物理学家团队，与香港科技大学(科大)诺贝尔物理学奖得主George SMOOT教授及哈佛及史密森尼天体物理中心(CFA)研究助理Razieh EMAMI博士合作，提供了迄今为止最直接的证据，证明暗物质并不像人们普遍认为的那样由超大质量粒子组成，而是由轻到像波一样在太空中传播的粒子组成。他们的工作解决了20年前首次提出的天体物理学中的一个突出问题:为什么采用超大质量暗物质粒子的模型不能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?这项研究结果最近发表在《自然天文学》杂志上。
暗物质不发射、吸收或反射光，这使得使用传统的天文技术很难观察到它。今天，科学家们研究暗物质最有力的工具是通过引力透镜，这是阿尔伯特·爱因斯坦在他的广义相对论中预言的一种现象。在这个理论中，质量导致时空弯曲，造成光在大质量物体(如恒星、星系或星系群)周围弯曲的现象。通过观察光的这种弯曲，科学家可以推断暗物质的存在和分布——并且，正如在这项研究中所证明的，暗物质本身的本质。
如图1所示，当前景透镜物体和背景透镜物体——两者都构成插图中的单个星系——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前景透镜物体中暗物质的分布，因此提供了一个特别强大的暗物质探测。
另一个关于暗物质本质的假设
在20世纪70年代，在暗物质的存在被确定之后，被称为弱相互作用大质量粒子(wimp)的假设粒子被提出作为暗物质的候选者。这些wimp被认为是超大质量的——至少是质子质量的十倍以上——并且只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，填补了标准模型的不足，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，天体物理学家们一直在努力正确地再现多透镜图像的位置和亮度。在这些研究中，根据使用超大质量粒子的理论模拟，假设暗物质的密度从星系中心向外平滑地减少。
同样从20世纪70年代开始，但与wimp形成鲜明对比的是，寻求纠正标准模型缺陷的理论版本，或寻求统一自然四种基本力(标准模型中的三种力，以及引力)的理论版本(如弦理论)，主张超轻粒子的存在。这些假想的粒子被称为轴子，据预测，它们的质量甚至比标准模型中最轻的粒子都要小得多，它们构成了暗物质的另一种候选粒子。
根据量子力学理论，超轻粒子以波的形式在空间中传播，它们相互干扰的数量如此之大，以至于在密度上产生随机波动。暗物质的这些随机密度波动在时空中产生了褶皱，下图是围绕星系的暗物质。正如人们所预料的那样，星系周围的时空模式不同，取决于暗物质是构成超大质量粒子还是超轻粒子——光滑的还是皱巴巴的——应该会产生不同的位置和亮度，从而为背景星系的多重透镜图像提供不同的位置和亮度。
在香港大学林杰里米博士团队的博士生Alfred AMRUTH的带领下，天体物理学家首次计算出包含超轻暗物质粒子的星系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，可以解决观测到的和预测到的位置之间的普遍差异，以及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，他们还证明了包含超轻暗物质粒子的模型可以重现观测到的多透镜星系图像的位置和亮度，这是一项重要的成就，揭示了星系周围时空的褶皱而不是光滑的本质。
“暗物质不包含超大质量粒子的可能性，正如科学界长期以来所主张的那样，减轻了实验室实验和天文观测中的其他问题，”林博士解释说。“实验室实验在寻找大质量弱相互作用大质量粒子(wimp)方面非常不成功，wimp是暗物质长期以来备受青睐的候选者。这样的实验正处于最后阶段，在计划中的DARWIN实验中达到高潮，如果找不到的话，wimp将无处藏身(见注释2)。
Tom BROADHURST教授是巴斯克地区大学的巴斯克教授，香港大学客座教授，也是该论文的合著者，他补充说:“如果暗物质由超大质量粒子组成，那么根据宇宙学模拟，银河系周围应该有数百个卫星星系。”然而，尽管进行了密集的搜索，到目前为止只发现了大约50只。另一方面，如果暗物质由超轻粒子组成，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，这就解释了为什么我们观察到银河系周围没有小的卫星星系。”
阿姆鲁斯·阿尔弗雷德说:“将超轻粒子而非超大质量粒子纳入暗物质，同时解决了粒子物理学和天体物理学中几个长期存在的问题。我们已经到了需要重新考虑现有暗物质范式的地步。”长期以来，超大质量粒子一直被认为是暗物质最受欢迎的候选者，但要向它们挥手告别可能并不容易，但越来越多的证据表明，暗物质与超轻粒子一样具有波状特性。“这项开创性的工作使用了港大的超级计算机设备，没有这些设备，这项工作是不可能完成的。”
合著者乔治·斯穆特教授补充说:“了解构成暗物质的粒子的性质是迈向新物理学的第一步。这项工作为未来在涉及引力透镜的情况下测试波状暗物质铺平了道路。詹姆斯·韦伯太空望远镜应该会发现更多的引力透镜系统，使我们能够对暗物质的本质进行更严格的测试。”
备注:1。粒子物理学标准模型描述了宇宙中四种已知基本力中的三种(电磁力、弱相互作用和强相互作用——不包括引力)，并对所有已知的基本粒子进行了分类。尽管标准模型取得了巨大的成功，但它仍然留下了一些无法解释的现象——例如，在标准模型中存在的粒子只能通过引力与已知粒子相互作用——而且还不能成为一个完整的基本相互作用理论。欲了解更多信息，请访问:https://home.cern/science/physics/standard-model
2. wimp的最后机会:物理学家开始全力寻找暗物质候选者:https://www.nature.com/articles/d41586-020-02741-3
