望远镜是寻找暗物质的唯一方法吗？

“H你认为暗物质问题是如何解决的？”薇拉·C·鲁宾在我于2009年天文学女性会议上与她相识几分钟后，迫切地问我。直到今天，我仍然不记得我当时的回答。我惊呆了：这位因发现暗物质存在的确凿证据而获得国家科学奖章的著名天文学家，竟然在向我，一位二十多岁的博士生，征求意见。我确信，无论我想出了什么，都不是很好，因为直到那时，我才开始认真思考这个问题。直到鲁宾征求我的意见，我才意识到自己有权对这个问题发表意见。

如果我对我的回答让她失望了，她也没有表现出来。相反，她邀请我和她以及其他一些女天文学家，包括前美国国家航空航天局局长南希·格蕾丝·罗曼一起共进午餐。然后，鲁宾开始对罗曼表示狂热的喜爱，罗曼经常被称为“哈勃太空望远镜之母”。对我来说，这是一个相当难忘的时刻，我看到一位发现了我们时代最伟大的科学谜团之一的老妇人兴奋地向我们介绍她自己的英雄。

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部的恒星，并发现了一些奇怪的现象：星系外围的恒星比它们应该的速度移动得更快，就好像那里有看不见的物质在提供引力一样。她的工作呼应了弗里茨·兹威基在1930年代早期对星系团的研究结果，这些研究使他提出了Dunkle Materie的存在，德语意为“暗物质”。在整个1970年代，鲁宾和天文学家肯特·福特发表了与这一结论一致的数据，到1980年代早期，科学家们普遍认同物理学存在暗物质问题。

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大多数在实验室追踪暗物质的尝试都属于三个类别。所谓的直接探测实验旨在寻找暗物质粒子通过非引力基本力之一——弱力以及假设的新力与正常物质粒子（例如元素氙）相互作用的证据。在日内瓦附近的大型强子对撞机等对撞机实验采取相反的方法，将两个普通粒子碰撞在一起，希望产生暗物质粒子。与此同时，“间接探测”实验旨在寻找暗物质与自身相互作用的证据，由此产生的碰撞会产生可观测的粒子。

到目前为止，这些策略都没有找到丢失的物质。我们仍然不知道暗物质是否可以通过引力以外的任何方式与正常物质对话。它可能无法在我们能够建造的加速器中产生，也无法在我们能够构建的实验中探测到。因此，天文观测——对暗物质的宇宙探测——是我们最好的希望之一。这些探测使我们能够在地球上难以产生的环境中寻找暗物质的信号，例如，在中子星内部。更广泛地说，这些搜索着眼于暗物质在各种位置的引力作用下的行为。

尽管这种方法在研究暗物质方面具有前景，但它有时会陷入天文学和物理学界之间的中间地带。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学问题而置之不理。这种脱节对资金有影响。在2022年，我们有机会改变这种状况。2020年代初标志着一个名为“雪堆粒子物理学界规划练习”的重要过程的开始。这个项目大约每十年举行一次，汇集物理学家向国会授权的小组解释未来的科学项目，该小组决定科学优先事项。宇宙暗物质探测首次成为一个独特的考虑主题。尽管“雪堆”不提出正式的政策建议，但在组织结构的每个阶段，都会做出关于强调哪些科学的决策，这肯定是事实。

暗物质候选者宇宙

关于暗物质，我们仍然有很多不知道的地方，但自从鲁宾在1970年代和1980年代的工作以来，我们已经走了很长一段路。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——称为暗物质晕——它远远超出星系的可见部分。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，我们在实验室和对撞机中能够识别的所有粒子——统称为粒子物理学的标准模型——仅占宇宙中正常引力物质的约20％。如果我们考虑到暗能量以及物质和能量在根本上是等价的，我们只理解了宇宙的约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。我们需要一个新的粒子或多个粒子来解决这个问题。

物理学家现在有各种各样的暗物质候选者。大多数科学家倾向于“冷暗物质”候选者——即移动相对缓慢的粒子（意味着，以远低于光速的非相对论速度）。在冷暗物质类别中，经典的模型之一是弱相互作用大质量粒子（WIMP）。科学家们推测，WIMP会在早期宇宙中自然形成，并预测它们会通过弱力与正常物质发生某种相互作用。最流行的WIMP模型属于一类称为费米子的粒子——这类粒子包括电子和夸克。

长期以来，WIMP是最受青睐的暗物质候选者，尤其是在美国。然而，近年来，观点发生了转变，因为WIMP的证据未能出现在大型强子对撞机或任何直接和间接探测实验中。

宇宙探测使我们能够在地球上难以产生的环境中寻找暗物质的信号，例如，在中子星内部。

最近，粒子物理学界对另一种假设的暗物质候选者感到兴奋：轴子。预计轴子的质量比WIMP小，而且它们不是费米子。相反，轴子属于一类称为玻色子的粒子——该类别包括光子或光粒子。作为玻色子，轴子具有与WIMP根本不同的特性，这为它们可能形成的结构打开了一个有趣的可能。轴子是我最初进入暗物质研究领域的契机。

WIMP 的诱人替代品

从我与薇拉·鲁宾的谈话到我第一次尝试回答她向我提出的问题，过去了五年。那时是2014年，我成为了麻省理工学院的马丁·路德·金，博士后研究员，首先被任命到卡夫利天体物理学和空间研究所，然后是理论物理中心（CTP），并正在寻找一些有趣的研究方向。正是在那里，当时也是CTP博士后研究员的马克·赫茨伯格和我首次开始讨论物理学家之间爆发的一场辩论：轴子能否形成原子物理学中已知的一种奇特状态，称为玻色-爱因斯坦凝聚态？

这种可能性源于玻色子和费米子之间的一个根本区别。费米子必须遵守泡利不相容原理，这意味着两个费米子不能共享相同的量子态。这个规则就是为什么化学中的电子轨道如此复杂的原因：因为围绕原子的电子不能占据相同的量子态，它们必须以不同的模式分散，具有不同的能量，称为轨道。相比之下，轴子可以共享一个量子态。这种能力意味着，当我们充分冷却它们时，它们都可以进入相同的低能量状态，并像一个超粒子一样集体行动——玻色-爱因斯坦凝聚态。在我看来，这种情况可能在太空中自然发生，这非常令人兴奋。

轴子是在1970年代由赫茨伯格在麻省理工学院的博士生导师弗兰克·维尔切克提出的，他是最早意识到海伦·奎因和已故的罗伯托·佩切提出的模型的一个结果是一种粒子的人之一，维尔切克以一种洗衣粉品牌“Axion”命名了这种粒子。因此，赫茨伯格已经非常熟悉轴子。然而，我对这个想法相对陌生。我的大部分职业生涯都专注于其他问题，我必须尽快了解情况。一路上，我学会了区分传统轴子和物理学家们开始松散地称为类轴子的粒子类别。

传统轴子源于佩切-奎因扩展到量子色动力学（QCD）理论，该理论描述了四种基本力中的另一种——强力。尽管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。佩切和奎因的工作解决了这个问题，同时为产生暗物质提供了一种机制。但是，另一个称为弦理论的思想也提出了一系列与原始轴子具有相同数学结构的粒子；这些粒子被称为类轴子。传统QCD轴子通常被认为质量约为10^–35千克——比电子轻几个数量级——但来自弦理论的更大类别的轴子可以轻得多，低至10^–63千克。

赫茨伯格和我与我们的博士后导师艾伦·古思一起完成的工作使我们对关于轴子如何形成玻色-爱因斯坦凝聚态的一种流行观点提出了质疑。佛罗里达大学的杰出物理学家皮埃尔·西基维在2009年提出QCD轴子会在早期宇宙中形成大型凝聚态时，引起了极大的轰动。他的计算表明，它们会形成环状星系晕，而不是大多数天文学家期望的球形晕，以及WIMP模型预测的球形晕。如果是这样，那么我们或许可以通过观察星系晕形状来判断暗物质是由什么构成的。

但是，当马克、艾伦和我坐下来检查西基维的小组是如何得出这一预测时，我们得出了一个截然不同的结论。尽管我们同意轴子玻色-爱因斯坦凝聚态会在早期宇宙中形成，但它们会小得多——只有小行星大小。我们的模型也没有给出任何迹象，表明在当今宇宙中，我们可能会发现何种轴子结构在数十亿年后。尝试更好地模拟我们如何——以及是否——从小行星大小的凝聚态发展到今天的星系尺度暗物质晕，仍然是一个重大的计算挑战。

在我们论文发表的同一年，另一个小组正在研究类轴子的其他有趣含义。由台湾大学的施启佑领导的一个团队发表了某些类轴子的计算机模拟，这些类轴子通常被称为“超轻轴子”或“模糊暗物质”，之所以这样命名，是因为它们质量非常小，并且会像模糊的波而不是点状粒子一样行动。他们表明，这些粒子可以形成具有波状暗物质晕，核心是玻色-爱因斯坦凝聚态。施启佑的论文引发了人们对超轻轴子的新兴趣，并提高了人们的希望，即天体物理学观测可以探测到我们期望的波状晕结构的迹象。

如今，轴子和类轴子与WIMP一起成为我们对暗物质可能是什么的最佳猜测之一。另一个越来越受欢迎的类别是一种称为自相互作用暗物质（SIDM）的模型。这个想法预测费米子暗物质粒子彼此之间存在某种相互作用——一种自相互作用——超越引力。这些自相互作用可能会在星系晕内创建比光滑球形斑点更有趣的形状和结构。然而，结构的具体细节很难预测，并且取决于粒子的质量和其他特征。有趣的是，轴子也可能彼此相互作用，尽管方式与自相互作用费米子不同。

WIMP、轴子和SIDM 之外还有一种替代方案：中微子。尽管现在已知标准模型中微子的质量太小，无法解释所有丢失的物质，但这些中微子是真实存在的，并且难以看到，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，还假设了一种新型中微子作为标准模型中微子的伴侣：惰性中微子。惰性中微子的独特之处在于它们主要通过引力相互作用，仅通过标准模型力轻微相互作用。此外，它们可能是最流行的温暗物质——或至少介于热暗物质和冷暗物质之间的暗物质提案。

理论学家刚刚开始探索的另一个想法是，暗物质可能不是单一的暗物质粒子，而可能是一个完整的扇区。也许暗物质是由传统轴子、类轴子、WIMP、惰性中微子和SIDM——所有这些共同组成。另一种诱人的可能性是，暗物质实际上包含早期宇宙中形成的恒星质量黑洞。在2017年引力波的探测表明这种质量范围内的黑洞比预期的更常见之后，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，但我们无法设计星系或恒星过程并观看其展开。宇宙现象很少发生在人类友好的时间尺度上——星系形成需要数十亿年，而可能发射暗物质粒子的宇宙过程会在数十年到数百年内发生。

即便如此，暗物质的天体物理学探测可以告诉我们很多信息。例如，美国宇航局费米伽马射线太空望远镜已经充当了暗物质实验，寻找只能用暗物质解释的伽马射线信号。例如，WIMP被预测是它们自己的反物质伙伴，这意味着如果两个WIMP碰撞，它们会像物质和反物质接触时一样相互湮灭。这些爆炸应该在暗物质存在的地方，特别是在暗物质最密集的星系核心，产生大量的伽马射线光。

事实上，费米望远镜确实在银河系中心看到了过量的伽马射线光。这些观测结果引发了观察者和理论家之间的激烈辩论。一种解释是，这些焰火是暗物质相互碰撞的结果。另一种可能性是，信号来自银河系中心附近的 neutron stars，它们在其生命的正常过程中发射伽马射线光。一些天体物理学家赞成更平凡的 neutron star 解释，但另一些人认为信号是暗物质。存在分歧是正常的，甚至我也很难决定我的想法。我被物理学家特蕾西·斯莱特耶和丽贝卡·利恩的深思熟虑的研究所吸引，他们的研究表明暗物质解释是合理的，但最终，只有对更详细的观测结果进行分析才能说服社区接受任何一种想法。来自费米望远镜的未来数据和拟议的实验，例如美国宇航局的全天中能伽马射线天文台探索者（简称AMEGO-X），有可能解决这场辩论。

科学家们还利用费米望远镜寻找轴子的证据。理论预测，当轴子遇到磁场时，它们偶尔会衰变成光子。我们希望通过长距离观察，我们可能会看到这种光的迹象，从而证明轴子的存在。而 neutron stars——银河系中心潜在的混淆信号——实际上是寻找暗物质的好地方。一些理论表明，这些致密的自旋星在质子和中子在其核心碰撞时会产生轴子。我们或许能够观察到这些轴子，因为它们会衰变成光子并从恒星中逃逸出来。并且随着 neutron stars 在数十年到数百年内释放暗物质，它们会以我们可能能够测量的模式冷却下来——如果我们观察足够长的时间。另一个热门的研究课题是非轴子暗物质是否会聚集在 neutron stars 中，从而影响恒星的结构。作为美国宇航局 neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) 合作组织的成员，我领导了一个研究项目，使用来自 NICER 的数据，NICER 是国际空间站上的一个小望远镜。我们的项目旨在寻找暗物质存在于 neutron stars 内部或包围 neutron stars 的证据，我们仍在努力回答关于暗物质可能如何影响这些恒星的热力学性质的问题。

我们还可以通过研究我们迄今为止拥有的关于暗物质存在的最佳证据——宇宙微波背景（CMB）辐射，来更多地了解暗物质的性质。这种光是起源于早期宇宙的无线电信号，它无处不在，就在我们周围。它提供了宇宙历史早期时刻的快照，我们在其光频率中看到的模式反映了宇宙在创建时的组成。事实证明，我们只能通过假设暗物质存在来解释我们在 CMB 中看到的模式——如果没有暗物质，CMB 数据将毫无意义。数据中的模式告诉我们暗物质占总质量和能量的比例；它们甚至有助于限制暗物质粒子的可能质量。CMB-Stage 4 合作组织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。

展望未来

自从2009年天文学女性会议以来，鲁宾和罗曼都已去世，但她们的遗产通过旨在帮助我们更好地了解宇宙的项目而延续下来。美国宇航局南希·格蕾丝·罗曼太空望远镜计划于2027年发射，尽管它主要专注于研究宇宙加速（“暗能量问题”）和系外行星，但它也将提供对暗物质的见解。在地球上，位于阿塔卡马沙漠的薇拉·C·鲁宾天文台将支持对许多问题的研究，包括寻找使鲁宾成名的暗物质。

换句话说，在未来几年，我们有很多值得期待的事情。原因之一是，几乎任何大规模的天文观测都可以告诉我们一些关于暗物质的信息。例如，墨西哥的一个团队（部分由阿尔玛·X·冈萨雷斯-莫拉莱斯和路易斯·阿图罗·乌雷尼亚-洛佩斯领导）表明，我们可以利用引力透镜现象（即大质量弯曲时空，使其像哈哈镜一样），来限制模糊暗物质的质量。冈萨雷斯-莫拉莱斯和乌雷尼亚-洛佩斯都积极参与了鲁宾天文台的太空和时间遗产巡天项目，致力于引力透镜并参与暗物质工作组。在工作组内，我们讨论了将捕获有关暗物质晕更详细信息的观测结果，然后可以将其与拟议的暗物质候选者的计算机模拟进行比较。同样，罗曼望远镜对大规模结构的巡天将提供对暗物质在宇宙尺度上的行为的见解。

做科学研究不仅仅是计算、观测和实验；它还包括与其他人（包括政策制定者）合作。

未来，拟议的 X 射线天文台，例如美国宇航局光谱时间分辨宽带能量 X 射线天文台（STROBE-X），可以帮助我们更仔细地观察 neutron star 结构，从而增强我们对暗物质可能特性的理解。其他拟议的未来项目，例如美国宇航局的全天中能伽马射线天文台或 AMEGO（不要与 AMEGO-X 混淆），将在不同的波长上做同样的事情。

我不仅作为一名科学家积极参与，而且还作为雪堆宇宙前沿主题“暗物质：宇宙探测”的三位召集人之一（与亚历克斯·德里卡-瓦格纳和海波·于一起）积极参与。我们的目标是向资金决策者描述天体物理学寻找暗物质的兴奋和可能性。我帮助编写的文件旨在帮助美国国家科学基金会和美国能源部决定我们在未来十年将进行哪些研究。

巧合的是，天文学界最近也完成了一个类似的过程，称为“2020年天文学和天体物理学十年调查”。由此产生的报告回避了实质性地解决暗物质问题，但它仍然为更好地绘制 CMB 地图、研究 neutron stars 的仪器和 X 射线天文台提供了强有力的支持——这三个目标都将帮助我们理解暗物质。

做科学研究不仅仅是计算、观测和实验；它还包括与其他人（包括政策制定者）合作。我们取得多少进展将在一定程度上取决于我们从立法者那里获得何种支持。当然，思考这个问题会让人感到压力。好消息是，有一个宇宙值得我们去思考，而试图理解暗物质是一个很好的消遣。