看不见的物质
物理学家认为，宇宙中的大部分物质是由一种看不见的物质——暗物质组成的。顾名思义，暗物质是不发光的，它们也不吸收或反射光，这使得想要捕捉暗物质变得极其困难。我们之所以还能够确认暗物质的存在，是因为通过天文观测，我们可以观测到星系的行为受到这些物质的引力影响。
在我们的宇宙中，暗物质的含量大约是构成恒星、行星和地球上所有生命的重子物质的5倍。而我们能看到的大多数星系，似乎都被这种神秘暗物质晕所包围。在更大的尺度下，暗物质晕也应该包裹着星系群和星系团。
星系周围的蓝色物质晕代表的是科学家预期的暗物质的分布。(图：ESO/L. Calçada）
但暗物质究竟是什么？科学家认为，它必然是某种未知的基本粒子，但除此之外不能确认更多。到目前为止，所有在实验室中探测暗物质粒子的尝试都以失败告终。暗物质的本质成了物理学家数十年来争论的关键。
现在，在一项新发表于《自然·天文》杂志的研究中，香港大学的Alfred Amruth及其同事利用光在引力下的弯曲，发现了新的天体物理学证据，更近一步地靠近这团迷雾的真面目。
两种候选粒子
一直以来，暗物质有两种主要的热门候选粒子：一种被称为弱相互作用大质量粒子（WIMPs）；另一种被称为轴子。
WIMPs是一种被认为质量至少比质子重十倍的假想粒子，根据理论，它们应该表现得像离散粒子，几乎完全只能通过引力发生相互作用。而轴子是一种预测质量甚至比标准模型中最轻的粒子还要轻得多的假想粒子，根据理论，超轻的轴子以波的形式在空间中传播，它们应该还可以通过量子干涉发生相互作用，在星系中产生频率类似波的图样。
究竟哪一种候选粒子更有可能？这个问题很难回答。但在最新的研究中，天文学家发现那些在遥远星系周围弯曲的光，可以为这个问题提供重要线索。
不同形式的暗物质会在星系周围产生有着不同特征的时空。如果暗物质是由WIMPs构成的，星系周围的时空曲率平滑的（左）；如果暗物质是由轴子产生的，量子干涉可以产生更加不规则的图样，导致星系周围的时空曲率就是褶皱的（右）。（图/Amruth, et. al.）
光被弯曲了
测量暗物质的经典方法会涉及两个星系：前景星系（或透镜星系）和背景星系（或源星系）。根据爱因斯坦的广义相对论，前景星系的巨大引力会扭曲周围的时空结构，所以当来自背景星系的光线在经过前景星系时，就会发生弯曲，就好像被光学透镜所弯曲一样。这就会导致背景星系的畸变和放大，这种效应被称为引力透镜。
引力透镜效应。（图/原理）
如果一切都刚好完美排列，那么来自背景星系的光就会被“拉扯”成一个围绕着更近的星系的圆环。这个圆环也被称为“爱因斯坦环”。通过研究爱因斯坦环或其他透镜图像的畸变，天文学家可以了解围绕在这些更近的星系周围的暗物质晕的特性。
图片中间靠右所显示的红色弧线是被引力透镜扭曲的背景星系。这些图像的数量、位置和畸变程度取决于前景中暗物质的分布。（图/ESA/Hubble & NASA, A. Newman, M. Akhshik, K. Whitaker）
这正是Amruth和他的团队在他们的新研究中所做的。在他们所观测的几个系统中，在前景透镜星系周围可以看到相同背景天体的多个拷贝图像，他们尤为关注一个名为HS 0810+2554的系统。
是WIMPs还是轴子？
HS 0810+2554是一个巨大的椭圆星系，位于我们和另一个星系核的活跃黑洞之间。在前景中的HS 0810+2554产生的引力透镜，形成了活跃星系核的四个透镜图像，每张图像都有一个明亮的星系核和两个从其中延伸出来的巨大喷流。
在新的研究中，研究人员基于这四幅图像的位置和畸变程度，通过详细的建模，首次计算出如果暗物质是由WIMPs或轴子组成的，那么HS 0810+2554在生成引力透镜成像时会有什么差异。
在星系周围，不同形式的暗物质会使我们在地球上观测到的背景星系的多重成像有着不同的位置和亮度。当暗物质由WIMPs组成时（左），来自背景星系的光会在前景透镜星系周围沿平滑的路径传播；当暗物质由轴子组成时（右），来自背景星系的光会在前景透镜星系周围沿混乱的路径传播。（图/hku.hk）
他们发现，基于暗物质是由WIMPs构成的所产生的透镜预测结果，与透镜图像显示的真实数据之间存在很大的差异。基于暗物质是由轴子组成的模型，则可以大幅度减少基于WIMPs的暗物质模型下，与多重成像的位置和亮度预测与实际观测数据上的差异。
他们证明了，基于超轻轴子的暗物质模型，可以重现多重透镜星系成像的位置和亮度，这一结果揭示了，在HS 0810+2554周围的时空应该呈现出褶皱而非平滑的特性。
因此，研究人员总结认为，透镜图像中的畸变与由轴子的量子干涉构成的暗物质晕一致。
粒子与星系
然而，对某一个星系的分析永远无法成为决定性的结果，而且还有另外几个原因让研究人员对结论格外谨慎。
首先，他们对星系中的普通可见物质的分布做了一些假设，这些物质这也会产生引力效应。其次，椭圆星系被认为是较小星系并合所产生的结果，这可能会以微妙的方式影响暗物质的分布，而通过追踪普通物质的分布是很难探测这些微妙的影响的。最后，这种干涉图样只适用于非常轻的（数量级大约为10⁻²²电子伏特）的轴子。相比之下，电子本身的质量就有约50万电子伏特。这可能会使轴子甚至比中微子还要轻得多。
虽然这项研究还不能终结关于暗物质本质的科学争论，但它为测试和实验开辟了新的路径。例如，未来的引力透镜观测可以用来探测轴子的波状性质，并有可能测量它们的质量。
对暗物质的更好理解将帮助我们更好地理解粒子物理学和早期宇宙的情况，它还可以帮助我们更好地了解星系是如何形成和随时间变化的。
参考来源：
https://www.nature.com/articles/s41550-023-01943-9
https://theconversation.com/new-look-at-einstein-rings-around-distant-galaxies-just-got-us-closer-to-solving-the-dark-matter-debate-204109
https://arstechnica.com/science/2023/04/gravitational-lensing-may-point-to-lighter-dark-matter-candidate/amp/
封面图/首图：ESA/Hubble & NASA, A. Newman, M. Akhshik, K. Whitaker
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