探索宇宙的黑暗面：紀念薇拉·魯賓

原理放了兩天聖誕假期後，回到工作崗位剛上線就看到來自美國普林斯頓的一個噩耗：天文學家薇拉·魯賓於聖誕節（2016年12月25日）自然辭世。為了紀念薇拉·魯賓，我打算把這篇文章作為《萬有理論》系列文章的第4篇。

Vera Rubin：「Science progresses best when observations force us to alter our preconceptions.」 （圖片來源：Linda Davidson，@ 2010）

「名譽是短暫的，『我』的數據比我的名字更重要。如果天文學界多年後仍在引用我的數據，才是對我最大的恭維。」

——薇拉·魯賓

【薇拉·魯賓的發現】

如果你沒聽過薇拉·魯賓（Vera Rubin），但我相信你肯定聽過什麼是暗物質。正是薇拉·魯賓找到了暗物質存在的確鑿證據。

Fritz Zwicky和他的論文。

其實早在1930年代的時候，弗里茨·茲威基（Fritz Zwicky）就在研究后髮星系團的時候發現，在星系團內的星系運動速度異常的快。他通過維里定理（Virial theorem）推算出星系團的質光比（mass to light ratio）大約為500，換句話說后髮星系團應該存在著大量看不見的物質。雖然他的研究並沒有引起很大的注意，但那是第一次讓我們意識到宇宙可能存在著黑暗的一面。

薇拉·魯賓和她的論文。

直到1960年代末，薇拉·魯賓通過光譜分析測量了仙女座星系中心和邊緣的恆星運行速度。根據牛頓的引力定律，當恆星離銀河系中心越來越遠的時候，它的速度也會變得越來越慢，比如在太陽系（下圖左）中，冥王星需要248個地球年才能繞太陽一圈，而水星（比冥王星大一點）只需要88個地球日。然而，當我們預期在星系的旋轉曲線中看到同樣的情況時，薇拉·魯賓對仙女座星系的測量結果震驚了所有人（下圖右）。

星系的旋轉曲線：左邊為太陽系，右邊為仙女座星系。

我們看到，當恆星距離星系中心越來越遠的時候，速度並沒有減少，而是保持均速。如果薇拉·魯賓的測量是正確的，星系中的可見物質根本無法維繫恆星，因此必須存在著大量我們看不見的物質提供了額外的引力來源，否則星系早應該分崩離析。

之後，薇拉·魯賓測量了更多的星系，發現這樣的現象並不只存在於仙女座星系，而是所有他們測量的螺旋星系。科學家也發現星系中的氣體也跟恆星一樣，保持著相同的速度。薇拉·魯賓的發現得到了其它實驗結果的支持。

天文學家在星系團、微波背景輻射等觀測中找到了更多暗物質存在的證據。

宇宙的成分：暗物質約為26.8%，暗能量約為68.3%，而普通物質只佔4.9%（圖片來源：ESA/Planck）

【暗物質是什麼？】

雖然我們知道暗物質的確存在，並且佔據宇宙能量和質量的26.8%，但是科學家從來沒有在實驗中直接探測到它們。我們知道暗物質不是什麼，要比知道它是什麼了解的更多。

暗物質究竟是什麼？（圖片來源：Sandbox Studio）

從天文學觀測中，我們可以得出如下結論：暗物質不發光、穩定、電中性和物質的相互作用很弱。在和所有已知的標準模型粒子進行比對後，科學家發現沒有一種粒子符合暗物質的特性，因此很可能是一種超越標準模型的新粒子。科學家提出了許多的模型，下面是一些最強有力的暗物質粒子候選者：

弱相互作用大質量粒子（WIMP）：WIMP被認為是最有希望的暗物質候選者，它的質量非常大，而且它們之間只存在弱相互作用和引力。在早期宇宙中，暗物質應該充滿了整個宇宙，並且和它對應的反粒子相互湮滅。根據理論計算，WIMP的剩餘丰度與今天宇宙學觀測所得到的暗物質密度一致，這被稱為WIMP奇蹟。

軸子（Axion）：在1970年代，Helen Quinn和Roberto Peccei為了解決強Cp問題就提出了軸子的存在。與WIMP相反，軸子的質量要比電子還輕大約100億倍。軸子場也出現在弦理論以及其它試圖擴展基本物理定律的理論之中。（可查看《一個理論，同時解決物理學的五個大問題》。）

惰性中微子（Sterile neutrinos）：夸克、電子以及幾乎所有其它物質粒子都同時存在左手性和右手性。但是現在已觀測到的三種不同的中微子都是左手性的。許多理論學家預言應該存在還未發現的質量更大的右手性中微子，而且很少發生相互作用，這種粒子被稱為「惰性」中微子。惰性中微子與普通物質只發生引力相互作用，科學家相信它也是暗物質的候選者之一。

超中性子（Neutralino）：是一種由超對稱理論預言的假想粒子。超對稱理論假設標準模型中所有的基本粒子都有與之對應的超對稱粒子，這些粒子足以構成暗物質，但它們都極難探測到。其中最容易被觀測到的就是超中性子。如果能發現中性微子就可以解決兩個重大難題：告訴我們什麼是暗物質，以及證明超對稱理論的存在。

卡魯扎-克萊因暗物質（Kaluza-Klein dark matter)：早在1920年代的時候，卡魯扎和克萊因發現，只要給空間多加一個維度，引力和電磁力就可以被統一了。而這個維度被捲曲的太小了，使得我們無法探測到在其中運動的粒子，這些粒子被稱為卡魯扎-克萊因暗物質。如果能夠確認它們的存在，也將是對弦理論強有力的支持。

許多天文觀測都指向了暗物質的存在。（圖片來源：Sandbox Studio）

除了這些，物理學家還提出了非對稱暗物質（Asymmetry dark matter）、強相互作用大質量粒子（SIMP）、複合暗物質（Composite dark matter）、鏡像世界中的暗物質（Mirror World dark matter）等，每種粒子都有相應的理論支持。但暗物質究竟是由什麼組成的，唯有靠實驗才能告訴我們最後的答案。

【探測方法】

為了揭開暗物質的真實面目，世界上有許多的大型實驗都正在進行著，這些實驗包括地下和空間實驗，以及在南極冰川雪地之中。探測暗物質的方法分為三類。

探測暗物質的三種方法：直接探測、間接探測和對撞機探測。（圖片來源： HAP/A.Chantelauze）

直接探測：尋找暗物質粒子與原子核碰撞產生的信號。在宇宙中存在著大量的暗物質，每秒鐘都可能有上億個暗物質粒子穿過我們的身體，而我們卻毫無察覺。科學家希望這些暗物質粒子能夠意外的撞上探測器中的原子核，從而發出可觀測的信號。為了避免受到其它信號的干擾（比如宇宙射線），這些探測器通常都深埋地底下。世界上有許多這樣的探測器，比如LUX和四川錦屏PandaX實驗，它們的目標是尋找WIMP的蹤跡。遺憾的是，今年給出的結果依然是零結果，唯一的結果就是給出了WIMP暗物質和核子散射截面的限制。

間接探測：尋找暗物質粒子湮滅的信號。理論上，暗物質粒子湮滅後，會產生中微子、伽瑪射線或反物質。如果科學家能夠在暗物質密度高的區域（比如銀河系中心）探測到過量的伽瑪射線，或者來源不明的高能反物質粒子，它們就有可能來源於暗物質粒子間的湮滅，從而提供間接的證據。阿爾法磁譜儀實驗、費米伽瑪射線衛星實驗和中國悟空衛星都是為了尋找暗物質湮滅的信號。

對撞機探測：在對撞機機里進行粒子碰撞實驗，主動創造暗物質粒子。高能粒子對撞時將可能有很小的幾率產生一對暗物質粒子。由於暗物質粒子和普通物質相互作用很弱，無法被周邊的探測器記錄到。因此，如果在某次對撞中有暗物質粒子產生，我們會發現有一部分能量不翼而飛。歐洲核子中心的大型強子對撞機（LHC）一直在尋找著暗物質，但是經過升級後的LHC在今年收集更多數據後依然沒有看到任何疑似信號。

【挑戰與競爭】

雖然暗物質在解釋宇宙中的許多現象都非常成功，但幾十年來，科學家對暗物質的探測一無所獲。這使另一部分科學家感到興奮。因為他們認為暗物質根本不存在，而是現有的引力理論需要得到修正。

1981年，Moti Milgrom就提出了「修正牛頓動力學（MOND）」。在這個模型中，一顆恆星的徑向加速度跟牛頓和廣義相對論預言的有一點點偏離。這個區別在太陽系內幾乎可以被忽略，而在星系的尺度下，這個區別則會被擴大。Milgrom發現，只要將加速度稍微改變一點點，就可以解釋星系的自轉曲線。

雖然MOND在解釋星系的自轉曲線方面很成功，但它無法解釋其它的效應，比如大尺度的星系團以及對撞星系的物質分布。這也許是因為MOND本身就不是一個完整的理論，它只是完整理論中的一部分，解釋了其中一個現象。的確，這樣的想法有很多追隨者，現在有很多人在研究MOND的擴展理論來解釋這些觀測。這其中包括貝肯斯坦提出的張量-向量-標量引力（TeVeS），莫菲特提出的修正引力（MoG）和其它，但沒有一個引力理論脫穎而出。

直到今年，暗物質理論似乎遇到了前所未有的挑戰，MOND則東山再起。不久前Stacy McGaugh帶領的團隊分析了153個不同類型的星系，發現了一個新的宇宙規律，稱為「徑向加速度關係」。（詳見《新的宇宙自然規律，暗物質遭遇挑戰》）他們的結果鞏固了MOND的地位。而不久後，暗物質再次遭到攻擊，Margot Brouwer和她的同事通過星系的引力透鏡效應驗證了Verlinde的新的引力理論，而不需要暗物質的存在（詳見《新的引力理論通過第一道檢驗》）。但是，要把暗物質打入死牢，新的引力理論則需要做的更多。

值得一提的是，薇拉·魯賓也是支持MOND的一員。她說道：「就我個人而言，我認為在大尺度下牛頓的引力定律應該得到修正，這比宇宙中充滿了未知的新粒子要更加有吸引力。」

薇拉·魯賓的觀測結果是非凡的，是她確鑿的告訴我們宇宙中要麼存在大量的暗物質，要麼是引力理論需要得到修正，無論是哪一個都將產生革命性的影響。可惜的是，她一直沒能獲得諾貝爾物理學獎。有一個簡單的原因或許是性別歧視，在歷史上只有兩位女性獲得了諾貝爾物理學獎，一個是居里夫人（1903年），一個是瑪麗亞·格佩特-梅耶（1963年）。能夠想到的還有兩位應該獲獎的女性科學家是發現脈衝星的約瑟琳·貝爾·伯奈爾和驗證了宇稱不守恆的吳健雄。雖然沒有獲得諾貝爾獎，但她們都是無冕之王。

薇拉·魯賓的成就不僅限於學術上，更因為她為女性在科學社區爭取的權益。薇拉·魯賓是知名女子大學瓦薩爾學院1948年度唯一一位主修天文學的畢業生。當她想申請普林斯頓大學天文學研究生學位時，被無情地告知天文學學科不收女學生（這項政策到1975年才被廢除）。因此她更加能夠體會女性在科學中需要得到更多的機會，在她的職業生涯中，她總是鼓勵並幫助年輕女性加入天文學領域並研究宇宙。在1981年的時候，她成為了第二位被美國國家科學院承認的女性天文學家，並獲得一枚國家科學獎章。

2016年12月25日，薇拉·魯賓永遠的離開我們。但是我相信正如她所期待的，她的數據將會一直被引用，而我們也將永遠記住她的名字。

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