在銀河系最古老的恆星之間 追尋暗物質
導讀：地球周圍的暗物質究竟以什麼速度在涌動？確定暗物質的運動速度將對現代天體物理學研究產生極為深遠的影響，數年以來，這一基本性質對研究者們來說都是個謎。但現在，他們找到了第一條線索：這個謎團的答案就藏在銀河系裡那些最古老的恆星之中。
銀河系
暗物質的運動速度一直以來都是未知，不過在1月22日出版的日報Physical Review Letters上刊登了一篇論文，一支國際研究小組找到了解決這個謎團的線索。
普林斯頓大學物理系的教授助理Mariangela Lisanti說：「本質上講，這些古老的恆星可以被用來測量地球附近暗物質的速率分布，它們就像是暗物質可見的速度表。你可以把這些古老的恆星理解為暗物質的發光示蹤計。我們永遠無法觀測到暗物質，因為它不在任何可觀察範圍內發光，對我們來說，它就是完全隱形的，這也是為什麼我們目前無法確定它的任何性質。」
暗物質和暗能量是宇宙中最神秘莫測的東西，它們完全隱形，卻主導了整個宇宙的構成，科學家認為，整個宇宙有84.5%是由暗物質構成
為了確定哪些恆星的運動與隱形的暗物質相似，Lisanti和她的同伴們藉助於電腦模擬，另一位小組成員Eris利用超級電腦模擬整個銀河系的物理運行，包括暗物質。
「我們的推測是出於某種原因，一些恆星團的運動會與暗物質的運動相匹配。」Jonah Herzog-Arbeitman說到。他是Lisanti的同事之一，也是這篇研究論文的合作作者。
加州理工大學的Herzog-Arbeitman和Lina Necib也是這篇論文的共同作者，他們利用Eris的電腦模擬數據繪製了許多圖表，比較了暗物質和不同恆星團的各方面性質。
他們在比較暗物質和不同金屬丰度恆星的運動速度時取得了突破。所謂「金屬丰度」就是恆星中重金屬元素和輕元素所佔的比重。
代表暗物質的曲線和重金屬比例最低的恆星的曲線完美地匹配在了一起。「一切就像隊列一樣整齊。」Lisanti說。
數十年以來天文學家都知道金屬丰度可以代表一個恆星的年齡，因為金屬和其他重金屬元素形成了超新星和中子星，所以恆星的年齡越大，其金屬含量就越低，一般來說那些與銀河系合併的小型星系的重金屬含量會相對更低。
超新星
中子星
「追溯起源，發現暗物質和老齡恆星之間的聯繫並不令人感到意外，」Necib說：「暗物質和這些大齡恆星有著相同的初始條件：它們誕生於同樣的地點，擁有相同的性質，所以到最後兩者都只受引力作用是理所當然的。」
為什麼這項研究很重要
自2009年以來，研究者們一直在把高密度的物質（通常是氙）深埋到地下，等待穿過地球的暗物質與之相互作用，從而試圖進行直接的觀測。Lisanti把這種直接探測的實驗比作撞球遊戲：「當一個暗物質粒子散射到一個原子的原子核上時，就像兩個撞球相撞，如果暗物質粒子的質量遠遠低於原子核的話，原子核在碰撞後幾乎不會移動，這就使得觀測變得異常困難。」
撞球遊戲是微觀粒子碰撞最佳的宏觀類比
她繼續解釋道：「這就是為什麼確定暗物質的速度區間非常重要，如果暗物質粒子又慢又輕，那麼它們可能沒有足夠的動量使原子核移動，即使它們正中靶心。」
「但如果暗物質粒子擁有很高的速度，它們就具有更高的動能。這便會增加它們撞擊後使原子核產生更大反衝的可能性，從而使我們觀測到。」Lisanti說。
粒子碰撞
原本科學家們期待能觀測到足夠多的粒子相互作用，足夠多的「撞球」被撞開。但Lisanti說：「我們目前還沒觀測到任何東西。」
因此，相對於直接觀察來測定速度的方法，Lisanti和她的研究小組背道而馳，嘗試用速度本身去解釋為什麼直接觀測的實驗沒有任何結果。
「這個實驗目前暫時性的失敗引出了兩個問題，」Lisanti說：「我們到底如何測定暗物質粒子的速度，以及，我們之所以沒有獲得任何觀測結果是否因為其速率分布中有某些我們沒有考慮到的因素。」
她表示使用一種完全獨立自主的方式去研究暗物質的速度可以幫助消除那兩個疑問，但目前為止，一切都是理論上的。現實中的天文觀測還遠遠趕不上Eris電腦模擬出來的豐富數據，所以Lisanti和她的研究小組還不知道銀河系中那些古老的恆星是以什麼速度運行的。
好消息是，這份電腦模擬的數據信息正在被上傳至歐洲航天局的蓋亞天文望遠鏡中，該望遠鏡自2014年7月起開始觀測銀河系。目前，一小部分恆星團的數據已經上傳完畢，但數據總量十分龐大，包括了近十億顆恆星。
蓋亞空間望遠鏡於2013年12月19日在蓋亞那太空中心使用聯盟號運載火箭發射升空。目前已抵達地球軌道的 L2 拉格朗日點附近以利薩如軌道運行，可對超過10億顆恆星進行天文測量
「即將到來的豐富數據和星際測量研究將為我們提供一個獨特的機會去理解暗物質的性質和本質。」Lisanti說。
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