臺大天文研究團隊 提出暗物質新解

【本刊訊】宇宙中有85%為暗物質(dark matter)及暗能量,天文物理學家一直致力於研究觀測這些神秘物質。臺大物理系博士薛熙于、天文物理所闕志鴻教授及西班牙巴斯克大學的布羅荷斯教授研究團隊,打破傳統認為暗物質為「重」粒子的觀點,反向提出暗物質其實為「極輕型粒子」的證據。研究成果發表於2014年7月1日的《自然物理》(Nature Physics)期刊,且被選為當期雜誌封面故事。此重大研究,受到全球天文物理界的矚目,將可能改變國際上對於暗物質的研究方向。

目前科學家相信暗物質為「重」粒子,因而於日內瓦設立「大強子對撞機」,照推論可能在其中有新的發現,但至目前為止並未出現新的粒子,找到的皆為粒子標準模型預測的產物,例如2013年的希格斯粒子。一直以來,一些相關學者對「重」粒子抱持懷疑的態度,物理學家也開始探討暗物質「極輕」的可能性,卻未有具體的結果及觀測比較。

闕志鴻教授表示,「極輕型」粒子暗物質常以「波」的型態來表現它的特性,為一種「量子波」,波長極長,約100~1000光年,在太陽系中處於某種特別的凝聚態,稱為玻色–愛因斯坦凝聚態(Bose-Einstein Condensate)。依量子力學,粒子的質量及其波長成反比,藉由矮星系(dwarf galaxies)內部數千顆恆星的觀測數據,可推測出此「極輕型粒子」之質量約為電子質量的10-28倍,擁有極大的密度。

論文中指出,即使在正常的星系裡,可能呈現量子波動的地點為星系核心。若將星系當作是一個似氫原子的量子束縛系統,則其基態就處於核心地帶,且非常特別,為一非線性的球狀體,稱為「孤立子」(soliton)。孤立子為一具有超高密度的物質波,在傳統的暗物質模型中並不存在,為「極輕型粒子」特有的觀測。且作者發現孤立子的重量和星系的重量有特定的關係。

闕志鴻教授譬喻孤立子為星系的心臟。孤立子的質量與超重黑洞的質量相同,為宇宙中最早形成的結構,而超重黑洞則是最後形成。並孤立子的尺度為星系的萬分之一,但為超級黑洞的一萬倍。

薛熙于博士表示,本次研究除了在理論觀念上有所突破外,還有另一項傑出的發現,即研發出獨特的超高速及解析度極高的「三維動態數值模擬運算機」,研究團隊自行組裝的超級電腦,使模擬的運算時間縮短近百倍,且將電腦解析度提升了約20倍左右,才得以得到此突破性的結果。

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