对遥远星系“爱因斯坦环”的新认识让我们更接近于解决关于暗物质的争论

诸平

Multiple images of a background image created by gravitational lensing can be seen in the system HS 0810+2554. Credit: Hubble Space Telescope / NASA / ESA

据物理学家组织网（phys.org）2023年4月21日报道，中国、西班牙、美国、法国的科学家组成的研究团队，对遥远星系周围“爱因斯坦环”的新观察，让我们离解决暗物质之争又近了一步（New look at 'Einstein rings' around distant galaxies just got us closer to solving the dark matter debate）。

物理学家们相信宇宙中的大部分物质是由一种看不见的物质组成的，我们只能通过它对我们所能看到的恒星和星系的间接影响来了解这种物质。我们没有疯！如果没有这种“暗物质”（"dark matter"），我们所看到的宇宙将失去意义。

但暗物质的本质是一个长期的谜。然而，中国香港大学（University of Hong Kong, Hong Kong SAR, China）的阿尔弗雷德·阿姆鲁斯（Alfred Amruth）和他的同事发表在《自然天文学》（Nature Astronomy）上的一项新研究（a new study），利用光的引力弯曲使我们更接近理解。详见：Alfred Amruth, Tom Broadhurst, Jeremy Lim, Masamune Oguri, George F. Smoot, Jose M. Diego, Enoch Leung, Razieh Emami, Juno Li, Tzihong Chiueh, Hsi-Yu Schive, Michael C. H. Yeung, Sung Kei Li. Einstein rings modulated by wavelike dark matter from anomalies in gravitationally lensed images. Nature Astronomy, 2023. DOI: 10.1038/s41550-023-01943-9. Published: 20 April 2023. https://www.nature.com/articles/s41550-023-01943-9

参与此项研究的除了来自中国香港特别行政区香港大学的研究人员之外，还有来自中国香港科技大学（Hong Kong University of Science and Technology, Kowloon, Hong Kong SAR, China）、中国台湾大学（Taiwan University, Taipei, Taiwan, China）、中国台湾理论科学中心（Taiwan Center for Theoretical Sciences, Taipei, Taiwan, China）；西班牙巴斯克大学{ University of the Basque Country (UPV/EHU), Bilbao, Spain }、西班牙多诺斯蒂亚国际物理中心{ Donostia International Physics Center (DIPC), Donostia, Spain}、西班牙巴斯克科学基金会{ Ikerbasque (Basque Foundation for Science), Bilbao, Spain}、西班牙坎塔布里亚大学（Universidad de Cantabria, Santander, Spain）；日本千叶大学（Chiba University, Chiba, Japan）、日本东京大学（University of Tokyo, Tokyo, Japan）、日本东京大学卡夫利宇宙物理与数学研究所{ Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU, WPI), University of Tokyo, Chiba, Japan}；美国加州大学伯克利分校（University of California at Berkeley, Berkeley, CA, USA）、美国约翰霍普金斯大学（Johns Hopkins University, Baltimore, MD, USA）、美国哈佛-史密森尼天体物理中心（Center for Astrophysics, Harvard & Smithsonian, Cambridge, MA, USA）以及法国巴黎大学（Université de Paris, Paris, France）的研究人员。

看不见却无所不在（Invisible but omnipresent）

我们认为暗物质存在的原因是我们可以看到暗物质引力对星系（galaxies）行为的影响。具体来说，暗物质似乎占了宇宙质量的85%左右，我们所能看到的大多数遥远星系似乎都被这种神秘物质的光环所包围。

但它之所以被称为暗物质，是因为它既不发光，也不吸收或反射光，这使得它极难被发现。

这究竟是什么东西呢？我们认为它一定是某种未知的基本粒子，但除此之外我们就不确定了。迄今为止，所有在实验室中探测暗物质粒子（dark matter particles）的尝试都失败了，物理学家们几十年来一直在争论暗物质的本质。

科学家们提出了两种可能存在的暗物质：一种是相对较重的被称为弱相互作用大质量粒子（weakly interacting massive particles简称WIMPs），另一种是被称为轴子(axions)的极轻粒子。理论上，WIMPs的行为类似于离散粒子，而轴子由于量子干涉的作用更像波。

这两种可能性一直很难区分，但现在，遥远星系的光线弯曲提供了线索。

引力透镜和爱因斯坦环(Gravitational lensing and Einstein rings)

当光穿过宇宙时，经过像星系这样的大质量物体时，光线的路径会弯曲，因为根据阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论(Albert Einstein's theory of general relativity)，大质量物体的引力会扭曲其自身周围的空间和时间。

因此，有时当我们观察遥远的星系时，我们能看到它后面其他星系的扭曲图像。如果物体排列整齐，来自背景星系的光将会被模糊成一个圆圈围绕着距离较近的星系。

这种光的扭曲被称为“引力透镜效应”("gravitational lensing")，它所产生的圆被称为“爱因斯坦环”("Einstein rings")。通过研究光环或其他透镜图像是如何变形的，天文学家们可以了解到围绕在附近星系的暗物质晕（dark matter halo）的特性。

轴子与弱相互作用大质量粒子（Axions vs. WIMPs）

这正是阿尔弗雷德·阿姆鲁斯和他的团队在新研究中所做的。他们观察了几个系统，在这些系统中，在前景透镜星系（foreground lensing galaxy）周围可以看到相同背景物体的多个副本，其中一个被称为HS 0810+2554的星系被特别关注。

通过详细的建模，他们计算出了如果暗物质是由众多的弱相互作用大质量粒子（Weahly Interactin-g Massive Particles简称WIMPs）构成的，而不是由单个WIMP构成的。如果暗物质是由轴子构成的。WIMP模型看起来与真实的物体不太相似，但轴子模型准确地再现了该系统的所有特征。

这一结果表明，轴子更有可能成为暗物质的候选者，它们解释透镜异常和其他天体物理观测的能力让科学家们兴奋不已。

粒子和星系(Particles and galaxies)

这项新的研究建立在先前的研究基础上，这些研究也指出轴子更可能是暗物质的形式。例如，一项研究(one study)观察了轴子暗物质(axion dark matter)对宇宙微波背景（cosmic microwave background）的影响，而另一项研究（another）则观察了矮星系（dwarf galaxies）中暗物质的行为。 

尽管这项研究还没有结束关于暗物质性质的科学辩论，但它确实为测试和实验开辟了新的途径。例如，未来的引力透镜观测可以用来探测轴子的波状性质，并有可能测量它们的质量。

对暗物质的更好理解将对我们对粒子物理学和早期宇宙的了解产生影响。它还能帮助我们更好地理解星系的形成和变化过程。

本研究到得了香港研究资助局通过普通研究基金（Research Grants Council of Hong Kong through General Research Fund 17304519）、西班牙项目基金{ Spanish project grant PID2020-114035GB-100 (MINECO/AEI/FEDER, UE)} 、普通研究基金（General Research Fund 17304519）、日本文部科学省世界一流国际研究中心倡议(World Premier International Research Center Initiative简称WPI Initiative, MEXT, Japan)、日本学术振兴会（JSPS KAKENHI grants JP20H04725, JP20H00181, JP20H05856 and JP18K03693）、美国天体物理中心理论与计算研究所（Institute for Theory and Computation at the Center for Astrophysics as well as grants 21-atp21-0077, NSF AST-1816420 and HST-GO-16173.001-A）、中国台湾教育机构玉山青年学者奖（Jade Mountain Young Scholar Award TU-111V1201-5, sponsored by the Ministry of Education, Taiwan, China）、中国台湾自然科学与技术委员会（National Science and Technology Council (NSTC) of Taiwan, China under grant NSTC 111-2628-M-002-005-MY4）、中国台湾大学学术研究-职业发展计划（TU Academic Research-Career Development Project under grant NTU-CDP-111L7779）以及PGC2018-101814-B-100和MDM-2017-0765项目的资助或支持。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Unveiling the true nature of dark matter, which manifests itself only through gravity, is one of the principal quests in physics. Leading candidates for dark matter are weakly interacting massive particles or ultralight bosons (axions), at opposite extremes in mass scales, that have been postulated by competing theories to solve deficiencies in the Standard Model of particle physics. Whereas dark matter weakly interacting massive particles behave like discrete particles (ϱDM), quantum interference between dark matter axions is manifested as waves (ψDM). Here, we show that gravitational lensing leaves signatures in multiply lensed images of background galaxies that reveal whether the foreground lensing galaxy inhabits a ϱDM or ψDM halo. Whereas ϱDM lens models leave well documented anomalies between the predicted and observed brightnesses and positions of multiply lensed images, ψDM lens models correctly predict the level of anomalies remaining with ϱDM lens models. More challengingly, when subjected to a battery of tests for reproducing the quadruply lensed triplet images in the system HS 0810+2554, ψDM is able to reproduce all aspects of this system whereas ϱDM often fails. The ability of ψDM to resolve lensing anomalies even in demanding cases such as HS 0810+2554, together with its success in reproducing other astrophysical observations, tilt the balance toward new physics invoking axions.