H你认为暗物质的问题是如何解决的?”维拉·c·鲁宾在2009年的女性天文学会议上被介绍后的几分钟内,她急切地问我。直到今天,我都不记得自己当时是怎么回答的。我感到敬畏:这位因发现暗物质存在的第一个确凿证据而获得美国国家科学奖章的著名天文学家问道在我看来,他是一个二十多岁的博士生。我敢肯定,我想到的任何东西都不是很好,因为在那一刻之前,我从来没有认真思考过这个问题。直到鲁宾当我问我的意见时,我从来没有想过我有资格对这个问题发表意见。

如果我的回答让她失望,她也不会表现出来。相反,她请我坐下来和她以及其他一些女天文学家共进午餐,包括前美国国家航空航天局局长罗曼.随后,鲁宾开始迷恋上罗曼,后者常被称为“哈勃太空望远镜之母”。看着一位发现了我们这个时代最伟大的科学奥秘之一的老妇人激动地向我们介绍她的英雄,这对我来说是一个很难忘的时刻。

鲁宾在20世纪60年代巩固了她的遗产,当时她研究了星系内的恒星,并发现了一些奇怪的事情:星系外围的恒星移动速度比它们预期的要快,就好像那里有一种看不见的物质产生了引力。她的工作与弗里茨•兹威基在20世纪30年代早期对星系团的研究结果相呼应,Fritz Zwicky在研究星系团时提出了存在邓克尔Materie,德语中“暗物质”的意思。整个20世纪70年代,鲁宾和天文学家肯特·福特(Kent Ford)发表了与这一结论相符的数据。到了80年代初,科学家们普遍认为物理学存在暗物质问题。

大多数在实验室中追踪暗物质的尝试分为三类。所谓的直接探测实验旨在寻找暗物质粒子与正常物质粒子(例如氙元素)相互作用的证据——通过一种非引力基本力——弱力,以及假设的新力。对撞机实验,比如那些大型强子对撞机在日内瓦附近,采取相反的方法,将两个普通粒子碰撞在一起,希望能产生暗物质粒子。与此同时,“间接探测”实验寻找暗物质与自身相互作用的证据,由此产生的碰撞产生可观测粒子。

这张图展示了寻找暗物质的四种主要方法,并解释了利用天体物理信号寻找暗物质的五种方法。
信贷:马修·托姆布雷

到目前为止,这些策略都没有找到缺失的问题。我们仍然不知道暗物质是否能在引力之外的任何方式与普通物质对话。它可能不可能在我们可以建造的加速器中产生,也不可能在我们可以建造的实验中探测到。因此,天文观测——暗物质的宇宙探测——是我们最大的希望之一。这些探测器让我们能够在地球上难以产生的环境中寻找暗物质的特征,比如在中子星内部。更广泛地说,这类搜索着眼于不同地点的暗物质在重力作用下的行为。

尽管这种研究暗物质的方法很有前景,但它有时会被夹在天文学和物理学的中间。物理学家倾向于强调对撞机和实验室实验,并不总是优先考虑与天体物理学工作的联系。天文学家倾向于将暗物质视为粒子物理问题而不予考虑。这种脱节对资金有影响。在2022年,我们有机会改变这一点。21世纪20年代的开始标志着一个重要过程的开始,这个过程被称为“雪质量粒子物理共同体规划演习”。这个项目大约每十年举办一次,将物理学家聚集在一起,向国会授权的小组解释未来的科学项目,该小组将决定科学的优先事项。暗物质的宇宙探测将第一次成为一个值得考虑的独特话题。尽管斯诺马斯没有提出正式的政策建议,但可以肯定的是,在组织层次的每个阶段,都会决定强调什么科学。

暗物质候选宇宙

关于暗物质,我们还有很多不了解的地方,但自鲁宾在20世纪70年代和80年代的工作以来,我们已经取得了很大的进展。我们现在有充分的证据表明,每个星系都生活在自己的暗物质气泡中——被称为暗物质晕——它远远超出了星系可见的部分。这些星系晕系统中的暗物质数量超过了恒星、行星和气体中的物质数量。换句话说,所有我们能够在实验室和对撞机中识别的粒子——统称为粒子物理的标准模型——只贡献了宇宙中正常引力物质的20%。如果我们考虑到暗能量以及物质和能量在根本上是相等的这一事实,我们只能理解宇宙的4%。标准模型既是一项惊人的成就,也是一个显然非常不完整的理论。我们需要一个或多个新的粒子来解决这个问题。

子弹状星团:钱德拉x射线太空望远镜观测到的正常物质的位置(在粉红色的)当两个星系团碰撞时。引力透镜的研究揭示了大部分的质量(蓝色的)从正常物质中分离出来,为暗物质的存在提供了强有力的证据。来源:美国国家航空航天局科学家/ CfA / M。Markevitch (x射线),美国国家航空航天局/太空望远镜科学研究所,麦哲伦/ U。亚利桑那州/ D.克洛(光学和透镜图), eso wfi (透镜的地图

物理学家现在有了一种暗物质候选物质的分类。大多数科学家倾向于“冷暗物质”的候选者——运动相对较慢的粒子(意思是,以比光慢得多的非相对论速度)。在冷暗物质的类别中,一个经典的模型是弱相互作用大质量粒子(WIMP)。科学家们推测,大质量弱相互作用粒子在宇宙早期自然形成,并预测它们通过弱力与普通物质发生某种相互作用。最流行的WIMP模型属于一种叫做费米子的粒子,这类粒子包括电子和夸克。

在很长一段时间里,特别是在美国,大质量弱相互作用粒子是最受青睐的暗物质候选粒子,然而,由于大质量弱相互作用粒子的证据未能在大型强子对撞机或任何直接或间接的探测实验中出现,近年来观点已经发生了转变。

最近,粒子物理学界对另一个假设的暗物质候选者感到兴奋:轴子。轴子被认为比弱相互作用大质量粒子的质量更小,而且轴子不是费米子。相反,轴子属于一种叫做玻色子的粒子,玻色子包括光子和光的粒子。作为玻色子,轴子与弱相互作用大质量粒子有着根本不同的性质,这为轴子可能形成的结构打开了一扇有趣的大门。轴子是我第一次进入暗物质研究领域的原因。

大质量弱相互作用粒子的诱人替代品

从我和维拉·鲁宾的谈话到我第一次尝试回答她提出的问题,已经过去了五年。那是2014年,我是小马丁·路德·金博士,麻省理工学院的博士后,先是被派到卡弗里天体物理与空间研究所,然后是理论物理中心(CTP),寻找一些有趣的工作。正是在那里,马克·赫茨伯格(当时也是cts的博士后研究员)和我第一次开始讨论物理学家之间爆发的一场辩论:轴子能否形成一种从原子物理学中已知的奇异态——玻色-爱因斯坦凝聚态?

这种可能性源于玻色子和费米子之间的根本区别。费米子必须遵循泡利不相容原理,这意味着两个费米子不能共享同一个量子态。这个规则就是为什么化学中的电子轨道会如此复杂:因为围绕一个原子运行的电子不能占据相同的量子态,它们必须以不同的模式展开,具有不同的能量,称为轨道。另一方面,轴子可以共享一个量子态。这意味着,当我们将它们冷却到一定程度时,它们都可以进入相同的低能态,并像一个超级粒子那样共同作用——玻色-爱因斯坦凝聚态。在我看来,这在太空中自然发生的可能性是非常令人兴奋的。

维恩图列出了一些类型的费米子和玻色子,并显示了哪些是与黑洞一样的暗物质候选粒子。
信贷:珍克里斯琴森

20世纪70年代,赫茨伯格在麻省理工学院的博士导师弗兰克·威尔切克(Frank Wilczek)提出了轴子,他是第一个意识到海伦·奎因(Helen Quinn)和已故的罗伯托·佩切伊(Roberto Peccei)提出的模型的一个结果是粒子的人之一,威尔切克以一种洗衣粉品牌的名字将其命名为“轴子”。因此,赫茨伯格对轴子已经很熟悉了。另一方面,我对这个想法还比较陌生。我职业生涯的大部分时间都在关注其他问题,我必须跟上进度。在这个过程中,我学会了区分传统的轴子和一类被物理学家松散地称为类轴子粒子的粒子。

传统的轴子源于Peccei-Quinn对量子色动力学(QCD)理论的扩展,该理论描述了四种基本力中的另一种——强力。虽然QCD是一个非常成功的模型,但它也预测了我们从未观察到的现象。Peccei和Quinn的工作解决了这个问题,同时提供了一种产生暗物质的机制。但另一种称为弦理论的思想也提出了一系列粒子,它们具有与原始轴子相同的数学结构;这些粒子被称为类轴子。传统的QCD轴子通常被认为质量约为10-35年千克——比电子轻几个数量级——但弦理论中更大的轴子类别要轻得多,可以轻到10-63年公斤。

赫茨伯格和我,以及我们的博士后导师艾伦·古斯(Alan Guth)所做的工作,让我们对轴子如何形成玻色-爱因斯坦凝聚的流行观点产生了质疑。2009年,一位著名的物理学家,佛罗里达大学的Pierre Sikivie,提出QCD轴子会在宇宙早期形成大的凝聚体,这引起了很多人的兴奋。他的计算表明,它们将导致环状星系晕,而不是大多数天文学家预期和WIMP模型预测的球形晕。如果是这样的话,那么我们就可以通过观察光晕的形状来判断暗物质的组成。

但当马克、艾伦和我坐下来检查Sikivie的团队是如何得出这个预测的时候,我们得出了一个截然不同的结论。虽然我们一致认为轴子玻色-爱因斯坦凝聚体会在早期宇宙中形成,但它们要小得多——只有小行星那么大。我们的模型也没有给出任何迹象表明,在今天的宇宙中,我们可能会在数十亿年后发现什么样的轴子结构。试图更好地模拟我们如何以及是否能从小行星大小的凝聚体到今天的银河系尺度的暗物质晕,仍然是一个重大的计算挑战。

在我们的论文发表的同一年,另一个小组正在研究类轴子粒子的其他有趣含义。国立台湾大学的席夫(hsiu - yu Schive)领导的研究小组发表了对某些类轴子粒子的计算机模拟,这些粒子通常被称为“超轻轴子”或“模糊暗物质”,之所以这样命名是因为它们的质量非常低,会像模糊的波而不是点状粒子。他们表明,这些粒子可以形成波状暗物质晕,其核心是玻色-爱因斯坦凝聚体。Schive的论文引发了人们对超轻轴子的新兴趣,并带来了希望:天体物理观测可以探测到我们所期望的波状晕结构的迹象。

如今,轴子和类似轴子的粒子与wimp一起成为我们对暗物质可能是什么的最佳猜测。另一种越来越受欢迎的类型是一种被称为自互动暗物质(SIDM)的模型。这个想法预测费米子暗物质粒子之间会有某种相互作用——一种超越重力的自我作用。这些自我互动可以在光晕中创造出比光滑的球形斑点更有趣的形状和结构。然而,这种结构的细节很难预测,而且取决于粒子的质量和其他特性。有趣的是,轴子之间也可能相互作用,尽管方式不同于自我作用的费米子。

除了wimp、轴子和SIDM,还有另一种选择:中微子。虽然现在已知标准模型中微子的质量太低,无法解释所有失踪的物质,但这些中微子是真实存在的,很难看到,这使得它们在功能上成为我们称之为宇宙中微子背景的暗物质的一小部分。此外,一种新型的中微子被假设为标准模型中微子的伴侣:无菌中微子。惰性中微子的独特之处在于,它们的相互作用主要是引力作用,仅通过标准模型力进行轻微的相互作用。此外,它们可能是最受欢迎的暖暗物质——或者至少介于热暗物质和冷暗物质之间。

理论学家们刚刚开始探索的另一个想法是,可能存在一个完整的区域,而不是一个单一的暗物质粒子。也许暗物质是由传统的轴子、类轴子粒子、弱相互作用大质量粒子、惰性中微子和sidm共同组成的。另一种诱人的可能性是,暗物质实际上由恒星质量的黑洞组成,这些黑洞可能在早期宇宙中形成。自2017年引力波探测表明这个质量范围内的黑洞比预期的更常见以来,这种选择变得更加流行。

天空中的线索

在天文学中,我们是相对被动的观察者。我们可以选择我们的仪器,但我们不能设计一个星系或一个恒星的过程,并看着它展开。宇宙现象很少在对人类友好的时间尺度上发生——星系的形成需要数十亿年,而可能释放暗物质粒子的宇宙过程需要几十年到数百年。

即便如此,暗物质的天体物理探测器可以告诉我们很多。例如,美国宇航局的费米伽玛射线太空望远镜通过寻找只能用暗物质解释的伽玛射线特征,起到了暗物质实验的作用。例如,据预测,弱相互作用大质量粒子会成为它们自己的反物质伙伴,这意味着如果两个弱相互作用大质量粒子相撞,它们会相互湮灭,就像物质和反物质在接触时一样。这些爆炸应该会在有暗物质的地方产生大量的伽马射线,尤其是在暗物质密度最大的星系核心。

事实上,费米望远镜确实在银河系中心看到了过量的伽玛射线。这些观察结果在观察家和理论家之间引发了激烈的争论。一种解释是,这些火花是暗物质与自身碰撞的结果。另一种可能性是,信号来自银河系中心附近的中子星,它们在生命的典型过程中发射出伽马射线。一些天体物理学家倾向于更普通的中子星解释,但其他人认为信号是暗物质。有分歧是正常的,即使是我也很难决定自己的想法。物理学家特雷西•斯拉特耶(Tracy Slatyer)和丽贝卡•琳(Rebecca Leane)的深思熟虑的研究让我很受鼓舞,他们的研究表明,暗物质的解释是合理的,但最终,只有对更详细的观察结果进行分析,才能说服科学界接受这两种观点。未来来自费米望远镜的数据以及NASA的全天空中能伽玛射线观测站探测器(简称AMEGO-X)等提议的实验有可能解决这场争论。

科学家们还利用费米望远镜寻找轴子存在的证据。理论预测,当轴子遇到磁场时,它们偶尔会衰变为光子。我们希望通过远距离观测,我们可以看到这种光的迹象,提供轴子存在的证据。中子星——银河系中心潜在的混淆信号——本身就是一个寻找暗物质的好地方。一些理论认为,当质子和中子在其核心碰撞时,这些密集的旋转恒星会产生轴子。我们或许可以观察到这些轴子衰变为光子并逃离恒星。中子星释放暗物质的时间长达几十到几百年,它们会以一种我们可以测量到的模式冷却下来——如果我们观察的时间足够长的话。目前另一个热门的研究话题是,非轴子暗物质是否会聚集在中子星中,影响恒星的结构。作为NASA中子星内部组成探测器(NICER)合作项目的一员,我正在领导一个研究项目,该项目使用了国际空间站上的一个小型望远镜NICER的数据,这个望远镜将在今年晚些时候更新。我们的项目正在寻找暗物质存在于中子星内部或包围中子星的证据。

我们还可以通过研究迄今为止关于暗物质存在的最佳证据——宇宙微波背景辐射(CMB)来更多地了解暗物质的本质。这种光是一种起源于早期宇宙的无线电信号,它无处不在,无处不在,就在我们周围。它提供了宇宙早期历史的快照,我们看到的光频率模式反映了宇宙形成时的组成。事实证明,我们只能通过假设暗物质存在来解释我们在宇宙微波背景辐射中看到的模式——如果没有暗物质,宇宙微波背景辐射数据将毫无意义。数据中的模式告诉我们暗物质在总质量和能量中所占的比例;它们甚至有助于限制暗物质粒子的可能质量。就在我写这篇文章的时候,CMB- stage 4合作项目正准备使用位于智利阿塔卡马沙漠和南极的一系列望远镜,对CMB进行迄今为止最详细的测量。

在地平线上

自2009年女性天文学大会以来,鲁宾和罗曼都去世了,但他们的遗产通过寻求更好地了解我们的宇宙的项目继续存在。美国宇航局的南希·格蕾丝·罗曼太空望远镜将于本世纪20年代中期发射,尽管它主要专注于研究宇宙加速度(“暗能量问题”)和系外行星,但它也将为暗物质提供深入的了解。与此同时,在地球上,位于阿塔卡马沙漠的维拉·c·鲁宾天文台(Vera C. Rubin Observatory)将支持许多问题的研究,包括让鲁宾成名的暗物质搜索。

换句话说,我们在未来几年有很多期待。原因之一是几乎任何大规模的天文观测都能告诉我们一些关于暗物质的信息。例如,由阿尔玛x冈萨雷斯-莫拉莱斯(Alma X. Gonzalez-Morales)和路易斯·阿图罗(Luis Arturo)带领的墨西哥团队Ureña-López表明,我们可以利用引力透镜现象,即大质量的物质使时空弯曲得如此之大,就像一个哈哈镜,来限制模糊暗物质的质量。冈萨雷斯-莫拉莱斯和Ureña-López都是鲁宾天文台“空间和时间遗产调查”项目的积极参与者,他们致力于引力透镜效应,并参与了暗物质工作组。在这个小组中,我们正在讨论如何捕捉到更多关于暗物质晕的详细信息,然后将这些信息与计算机模拟提出的暗物质候选者进行比较。同样的,罗马望远镜对大尺度结构的观测将会为我们了解暗物质在宇宙尺度上的行为提供线索。

在未来,拟议中的x射线天文台,如美国宇航局宽带能量x射线光谱时间分辨天文台(STROBE-X),可以帮助我们更近距离地观察中子星结构,这将增强我们对暗物质可能性质的理解。其他被提议的未来项目,如NASA的全天空中能伽马射线天文台(AMEGO,不要被误认为是AMEGO- x),将以不同的波长做同样的事情。

我将作为一个积极的参与者,不仅作为一名科学家,而且作为三个召集人之一,与Alex Drlica-Wagner和于海波一起,参加雪团宇宙边界的主题:暗物质:宇宙探测器。我们有责任向资助的决策者描述暗物质天体物理搜索的激动人心之处和可能性。我将帮助制定的文件可能会对国家科学基金会和美国能源部关于我们在未来十年进行哪些研究的指导产生影响。

巧合的是,天文学社区最近刚刚完成了一个类似的过程,被称为2020年十年天文学和天体物理学调查。最终的报告回避了解决暗物质问题的实质,但它仍然为更好地绘制宇宙微波背景图、研究中子星的仪器和x射线天文台提供了强有力的支持——这三个目标将帮助我们了解暗物质。

做科学绝不仅仅是计算、观察和实验;它还与包括政策制定者在内的其他人合作。我们能取得多大的进展,在一定程度上取决于我们从议员那里得到了什么样的支持。当然,想到这一点是有压力的。好消息是,有一个宇宙值得我们去探索,而试图理解暗物质是一种巨大的分心。