如同觀察空氣 科學家旁敲側擊尋暗物質

哈伯太空望遠鏡觀測到引力透鏡效應,顯示星系團CL0024+17內部存在一個暗物質圈。(圖片來源:維基百科)
哈伯太空望遠鏡觀測到引力透鏡效應,顯示星系團CL0024+17內部存在一個暗物質圈。(圖片來源:維基百科)

【記者張秉開/綜合報導】
科學家在觀測億萬光年範圍的星系中,認識到組成宇宙的物質中,暗物質占26.8%,一般物質僅占4.9%,其餘68.3%是暗能量。但是,暗物質不僅僅是人的肉眼無法看到,而是即使藉助儀器也無法感知。

那麼,怎樣探尋暗物質?據物理學網站phys.org近日報導,這可以從簡單的道理說起。人們已經知道,空氣是真實的存在。雖然眼睛看不見,但是我們可以利用觀察被風吹動的樹葉來感知空氣的運動及其存在。科學家利用相同的原理,採用與觀察風不一樣的技術,在努力探索宇宙中的暗物質(dark matter)。

現代天文學家使用新一代的高科技探測器,觀測引力透鏡、宇宙中大型結構、微波背景輻射等等,希望能窺測暗物質的蹤影。

在宏觀宇宙空間中探索

報導說,有些科學家構想,組成暗物質的粒子就是粒子自身的反物質,那麼兩個暗物質粒子如果相互作用,則會湮滅(annihilate)成奇異的粒子或射線。

因此,這種湮滅可以被太空中的檢測儀發現,如國際太空站(ISS)的阿爾法磁譜儀(AMS)。阿爾法磁譜儀會發現諸如正電子(positron)異常數量的粒子變化。而且當正電子湮滅為輻射,其輻射若為高能伽馬射線的話,則會被美國航太總署(NASA)的費米伽馬射線太空望遠鏡檢測到。
國際太空站。(圖片來源:NASA)國際太空站。(圖片來源:NASA)
但是,實際情況不是那樣簡單。宇宙空間中,黑洞及其周圍的星體爆炸也會發出類似訊號,這種干擾如何消除?當然,理想的情況是,如果找到一簇發出耀眼伽馬射線的暗物質,而其附近幾乎沒有任何星體,那麼科學家就非常有信心判斷暗物質的徵象。

報導說,幸運的是,銀河系有這樣的星體讓人類有信心找到暗物質的跡象,如極微弱矮橢球星系(ultra-faint dwarf spheroidal galaxies);而不幸的是,尚未確定是否有伽瑪射線從那裡發出。
銀河系。(圖片來源:維基百科)銀河系。(圖片來源:維基百科)

向微觀粒子空間中尋找

實驗室是直接觀察暗物質的必需之所。在歐洲核子研究中心(CERN),大型強子對撞機(LHC)揹負著科學界的厚望。科學家期待粒子的對撞過程中,產生暗物質而被檢測出來。當然,也有可能是,產生的暗物質直接穿過探測器而不留一絲痕跡。

對撞機檢測暗物質的原理其實很簡單:對比一次粒子碰撞前後的所有能量是否有不一致的變化。如果有,那麼說明能量以暗物質的形式逃逸了。
歐洲核子研究中心的大型強子對撞機(LHC)局部。(Richard Juilliart/AFP/Getty Images)歐洲核子研究中心的大型強子對撞機(LHC)局部。(Richard Juilliart/AFP/Getty Images)
phys.org說,科學家還有一種設計思路。在地球穿越銀河系的過程中,如能檢測那些自然生成的暗物質與原子核碰撞後的產物或能量,那麼可以發現暗物質的蹤影。

報導說,也許讀者在看完這篇文章的時間裡,體內有一個原子已經被宇宙中的暗物質粒子撞飛了,但人體毫無感覺。那麼,科學家將製造一種比人體靈敏很多的儀器來檢測這種碰撞。

於是,在澳洲的維多利亞斯托爾金礦(Stawell Goldmine)地下一公里處,一個由大學、研究機構和行業組成的國際合作組織正在建造地下物理實驗室(SUPL),這將成為南半球的第一台感覺極其靈敏的暗物質探測器(SABRE)。

科學家利用地殼岩層來阻擋來自太空的輻射,以免探測器被干擾。在SABRE設備中,有經過鉈(thallium)處理的超級純碘化鈉晶體。這種晶體有著極低本體輻射級位,如果被暗物質粒子擊中,原子核會出現像撞球的回彈。這時,原子的能量被激發,最終釋放能被檢測到的高能伽瑪射線。

總之,科學家希望深入理解宇宙中存在的為「可見物質」五倍含量的「不可見物質」——暗物質。
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