港大與科大解開天體物理學「暗物質」謎團

港大與科大的學者研究發現，宇宙中的「暗物質」是由超輕粒子組成。研究結果最近已在《自然·天文學》期刊上發表。

「暗物質」的存在，早於1970年代被敲定；但其本質仍然未明。有說法認為其可能是由大質量粒子組成；另一些則認為較可能由超輕粒子組成。

宇宙廣闊無垠，現時觀測星體的過程中，透鏡物體和背景物體（兩者各自都是單獨的星系）對齊時，會見到多幅相同背景物體的影像（如圖）。其中星體多重成像的位置和亮度，取決於前景透鏡物體的「暗物質」分布。

「暗物質」既不會發光，亦不會吸收或反射光，難以運用傳統的天文學技術來觀測。人們推斷「暗物質」存在的方法，是通過「暗物質」對來自遙遠星系的光，產生的引力效應，即是物理學家愛因斯坦在廣義相對論中預測的「引力透鏡現象」。

「引力透鏡現象」中，質量會扭曲時空，使光線在質量巨大的物體如恆星、星系或星系團的周圍彎曲。科學家透過這種「光的彎曲」，推斷出暗物質的存在和分布。

由港大物理學系林仁良博士團隊中的博士生Alfred AMRUTH領頭，與來自科大的諾貝爾物理學獎得主喬治·斯穆特教授，及哈佛-史密松天體物理中心的Razieh EMAMI博士合作研究，發現暗物質並非由大質量粒子組成，而是由能像波一樣穿梭於太空之中的超輕粒子組成。

以往在大質量粒子暗物質模型下，多重成像的預測位置和亮度，與實際觀測上有差異。團隊首次計算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。終於從引力透鏡的角度證明，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的差異。

以上研究成果，為一道20年前首次提出的問題提供答案——為甚麼採用大質量粒子的模型，無法正確預測由「引力透鏡效應」產生的同一星系的多重影像的位置和亮度？

此外，團隊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。

巴斯克大學Ikerbasque教授、港大訪問教授暨文章合作者之一Broadhurst表示，上述成果解釋了為何人類觀察到銀河系周圍缺乏小衛星星系，因為若暗物質由超輕粒子構成，根據量子力學理論的預測，這些粒子的波動會產生干涉，低於一定質量的星系根本無法形成。@

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