港大揭暗物質由超輕粒子組成

香港文匯報訊（記者 姬文風）宇宙中的絕大部分物質都無法被直接觀測到，它們由物理學標準粒子模型無法解釋的粒子組成，稱為暗物質。由於暗物質支配着星系的質量和引力，因此，找到它們的構造對現代物理學來說是一個迫切需要解決的問題。過去，科學界先後提出過大質量粒子、超輕粒子作為暗物質的候選粒子。香港大學物理學系團隊的最新研究結果，提供了當今最直接有力的證據，指出暗物質是由能像波一樣穿梭於太空之中的超輕粒子組成，而並非由大質量粒子組成。是次研究結果有助揭示暗物質本質，最近已在《自然·天文學》期刊上發表。

暗物質既不會發光，亦不會吸收或反射光，因而難以運用傳統的天文學技術來觀測。如今，天體物理學家用以研究暗物質的最佳方法，是通過愛因斯坦在廣義相對論中預測的引力透鏡現象。在這個理論中，質量會扭曲時空，使得光線在質量巨大的物體如恒星、星系或星系團的周圍彎曲。通過觀察這種光的彎曲，科學家們可以推斷出暗物質的存在、分布及性質。

在二十世紀七十年代時，當暗物質的存在被敲定以後，一種被稱為「大質量弱相互作用粒子」（WIMPs）的假想粒子被提出作為暗物質的候選粒子。過去二十年間，天體物理學家一直以這些大質量粒子作為暗物質模型，並假設暗物質密度從星系中心平滑地向外遞減，卻未能正確地重現多重成像的位置和亮度。

同樣始於七十年代，一些理論卻主張超輕粒子作為暗物質的候選成分。這些假想粒子被稱為「輻子」，其預測質量較標準模型中最輕的粒子還要輕得多，是暗物質的另一個候選粒子。

揭示星系周圍時空應呈皺縮特性

由港大物理學系副教授林仁良團隊的博士生Alfred AMRUTH領頭，與香港科技大學的諾貝爾物理學獎得主喬治·斯穆特及哈佛·史密松天體物理中心的Razieh EMAMI博士合作的研究，首次計算比較了由超輕暗物質粒子與大質量暗物質粒子所組成的星系，在生成引力透鏡成像方面的差異。

該研究從引力透鏡的角度證明，由超輕粒子組成的暗物質，可以大幅度減少大質量粒子暗物質模型下多重成像的預測位置和亮度與實際觀測上的差異。此外，他們證明了包含超輕暗物質粒子的模型，可以重現多重透鏡星系成像的位置和亮度，這一成果揭示了星系周圍時空應呈現皺縮而非平滑的特性。

「推翻長久以來被視為暗物質候選粒子大質量粒子並不容易，但愈來愈多的證據支持暗物質具有超輕粒子所擁有的波動特性，可見現有的暗物質範式須重新考慮。」AMRUTH表示，將超輕粒子納入暗物質模型，可以同時解決粒子物理學和天體物理學中的數個長期存在的問題。

喬治·斯穆特補充指，了解構成暗物質的粒子的性質，是邁向新物理學的第一步。這項工作為未來在涉及引力透鏡的情況下測試類波暗物質打下了基礎。