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【科學講堂】追尋黑暗物質 真面目未揭曉

2019-01-16
■早在1933年,瑞士天文學家Z威基就指出,后髮座星系團(Coma Cluster)中存有黑暗物質。 網上圖片■早在1933年,瑞士天文學家Z威基就指出,后髮座星系團(Coma Cluster)中存有黑暗物質。 網上圖片

物理學家之間有時會打趣地說:「組成宇宙的大部分物質都不是我們日常接觸到、所熟悉的物質,因此研究這些常見物質的化學科看起來就不算是很重要了!」這當然是科學家之間的玩笑話,不過亦指出了我們對「宇宙是由什麼構成的」這個課題其實不甚了了。然而,為什麼我們會認為宇宙中有大量我們不認識的物質呢?一直以來,科學家們不斷探索這些物質的本質;想不到到了今天,一個上世紀70年代被發送至太空的人造衛星,還在協助我們回答這個問題。今天就跟大家簡單分享一下。

想星星旋轉 質量不夠數

為什麼我們會突發奇想,以為宇宙中有大量我們不熟識的物質?早在1933年,瑞士天文學家Z威基(Fritz Zwicky)就指出,以我們觀察到的物質數量來說,后髮座星系團(Coma Cluster)中的星星、星團,實在是旋轉得太快了。

任何物體環繞一個中心轉動,必須有足夠的力量把它拉向中心;不然的話,物體早就順勢向外飛走,不會再繞茪中葺鄐F。(還記得小時候玩「捍遄v,我們是如何死抓蚅瑽,以免向外飛去嗎?)

不過,太空之中空空蕩蕩,物質之間的力量,自然主要就是來自萬有引力;因此物質愈多,就可提供更大的力量去「支援」星星、星團的快速旋轉。Z威基的計算,卻發現后髮座星系團要以現在速度旋轉所需的質量,遠遠超過我們觀測到的這個星系團的總質量。因此,看來這個星系團中,有些質量是我們看不見的!由於我們是藉由物體發出或反射的光來偵測它們的存在,這些看不見的物質看來應該是黑暗的,所以Z威基就把它們叫作「黑暗物質(dark matter)」

可硬又可彈 網破不全爛

這些「黑暗物質」究竟是什麼來的呢?老實來說,到了現在我們還是不很清楚,不過一直以來科學家們提出了不少的可能性,其中一個就是分佈於宇宙各處的黑洞。

大家可能都知道黑洞是物質高度集中的產物,體積可能跟其他天體比起來較小,不容易直接觀測,不過質量卻不容小覷,因此可能就是我們觀察不到的「黑暗物質」。不過根據已故物理學家霍金(Stephen Hawking)的理論,「黑」洞其實並非完全黑暗,而且還是有溫度的:質量較小的黑洞固然體積較小,不過溫度較高,會以輻射的形式釋放出電子及正電子(positron),因此這些電子及正電子應該可以容許我們偵測到這些微小的黑洞。

地球受茪荈妒犖炡齞v響,因此這些外太空的黑洞輻射不容易到達地球;倘若我們要測度這些輻射,可能就要遠離太陽的「勢力」。

不過不用擔心,這樣的儀器其實早就在外太空中了:美國太空總署(NASA)在1977年將人造衛星航行者1號(Voyager 1)送上太空,本是用來探索木星、土星等太陽系裡的行星;不過航行者1號「體格壯健」,到了今天還在運作,亦在6年前離開了太陽系。

以上提到的微小黑洞的輻射,就正好可以被航行者1號偵測到。法國索邦大學(Sorbonne Universitm)的Mathieu Boudaud和Marco Cirelli,就在航行者1號量度到的訊號裡尋找,卻沒有找到這些微型黑洞輻射的證據。看來「黑暗物質」的真面目並不是這些微型的黑洞啦。(不過更重的黑洞還是有可能。)

小結

科學的發展,不見得一定要最新的儀器,有時候我們的巧思可能更重要;希望今次航行者1號的故事,可以是一個好例子。至於「黑暗物質」的真面目,科學家們還在「努力調查中」;期望在近期的未來可以有更多的突破吧。

■張文彥博士 香港大學理學院講師

短暫任職見習土木工程師後,決定追隨對科學的興趣,在加拿大多倫多大學取得理學士及哲學博士學位,修讀理論粒子物理。現任香港大學理學院講師,教授基礎科學及通識課程,不時參與科學普及與知識交流活動。

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