神秘X光洩漏暗物質天機

mexxsos · 發表於 2014-7-8 14:02:54

天文學家利用多架高能觀測衛星觀察研究星系團，從中發現了似乎可證明宇宙暗物質（dark matter）性質的證據。

　　暗物質不可見，沒有發出人類現在可偵測的輻射，也不會吸收光，只能透過和宇宙中一般物質構成的星系或恆星之間的重力交互作用，才能察覺出暗物質的存在。但這些都是間接的證據，天文學家相信暗物質是宇宙物質最主要的部分，只是還不瞭解它的性質而已。

　　星系團（galaxy cluster）許多數百個星系組成，且星系之間的空間還充斥著大量熾熱氣體，一起構成宇宙間最大的重力束縛的物質結構。然而，當測量這些星系團的重力影響時，星系和氣體僅佔了總質量的五分之一，而剩下的五分之四，就是那些看不見的神秘暗物質。

　　星系團內的熾熱氣體以氫為主，溫度超過攝氏1000萬度，熱得足以發射出X射線輻射。其他微量元素則會貢獻特定波長的額外X射線。

哈佛史密松恩天文物理中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）Esra Bulbul等天文學家分析歐洲太空總署（ESA）的XMM-Newton和美國航太總署（NASA）的錢卓（Chandra）等X射線觀測衛星的73個星系團觀測資料；這些星系團的距離差異頗大，從數億光年到數十億光年不等，其中一個是英仙座星系團（Perseus cluster），如右上圖，這個質量非常大的重力結構，算是我們本銀河系的鄰居。Bulbul等人研究這些星系團的特徵譜線，結果被其中一條昏暗不明、以前從未見過的譜線給難倒了。

Bulbul表示：如果這個奇怪的特徵譜線是氣體中已知元素造成的，那麼按理來說會有其他X射線已知波長的譜線伴隨出現，但事實上卻沒有出現任何這樣的譜線。因此，必須在所有已知的普通物質之外尋找答案。

　　這些天文學家認為這些奇怪的輻射可能是某種怪異的次原子粒子（subatomic particle）造成的。科學家過去就曾預測過這種所謂的「惰性微中子（sterile neutrino）」，但從未偵測到過。

　　一般微中子是質量極低的物質，而且與一般物質僅偶爾有弱核作用力和重力造成的交互作用。而惰性微中子和一般物質則僅有重力造成的交互作用，這項特徵讓惰性微中子成為暗物質的可能候選人之一。

　　Bulbul表示：若這條奇異的昏暗譜線的確如他們認為是由惰性微中子造成的，那麼星系團中所含有的暗物質至少有一部份是由惰性微中子組成的。

　　雖然這項發現意義重大，然而這些天文學家仍小心謹慎應對，不敢說他們發現的絕對是暗物質訊號。為了確認他們的推測，這些天文學家計畫未來要繼續利用XMM-Newton、錢卓和其他高能望遠鏡來研究更多星系團，直到能確定這個奇怪的X射線訊號與暗物質的關聯性為止。

mexxsos · 發表於 2014-7-8 14:06:07

打敗歐洲90億美元「大強子對撞機」
〔記者陳炳宏／台北報導〕總重量佔宇宙約八成五的暗物質究竟為何物？始終是近代天文物理的重大謎團。
可解釋星系核心黑洞的形成
台大天文物理所與西班牙巴斯克大學合作，利用台幣兩百萬打造出的顯示卡叢集運算系統，發現暗物質其實是「（Ψ暗物質粒子）極輕型粒子」，但密度極大，據此可解釋星系核心黑洞的形成。這項發現獲選為最新一期《自然物理》（Nature Physics）國際期刊的封面論文，備受國際矚目。

歐洲有花了九十億美元、聚集八千位物理學家參與的「大強子對撞機」，運轉五年未有具體發現。台大天文物理所教授闕志鴻指出，過去學界普遍相信暗物質是「重」粒子，希望透過大強子對撞機找到，但偵測實驗結果多令人失望。
重粒子觀點也受到天文界質疑，因其特性與哈伯望遠鏡觀察星系的結果似乎不符，因此學界出現新思維，「極輕」型粒子的可能性便是之一。
台大物理系博士薛熙于、教授闕志鴻及西班牙巴斯克大學的布羅荷斯特教授共同發表的「暗物質波的量子干涉形成宇宙結構」論文，是第一個對極輕暗物質提出定量預測，被視為推翻重粒子理論的重大突破。

薛熙于研發出一套超高速高解析度「三維動態數值模擬運算」機，使天文電腦模擬運算時間縮短近百倍，並將空間解析度成功提升二十多倍，再和布羅荷斯特提供的天文觀測資料比較，印證暗物質大部分其實是「極輕型粒子」。
Ψ暗物質粒子特性，包括波長達一千光年、密度較液態水高一百萬倍、更確定出其質量，僅約為電子的十的負二十八次方倍。
研究團隊進一步分析，如此輕的粒子，為何總重量佔宇宙的八十五％？原因在其粒子密度非常高。若要偵測這種暗物質，要用與對撞機不同的概念，這也將是未來大型國際觀測的重點計畫。
這次研究成功關鍵之一，在於實驗室自行打造的平價版超級電腦，加上七十年次的薛熙于負責超高速3D動態模擬運算程式進行演算，才有驚人成果。
薛熙于指出，台大團隊早在二○○七年就已有Ψ暗物質相關推論，二○一○年發表世界上第一個成功將多張圖型顯示卡與自適性網格作高效率結合，使天文電腦模擬運算時間縮短近百倍。他進一步把此技術應用到Ψ暗物質研究，才得以發現輕粒子的存在。

mexxsos · 發表於 2014-7-8 14:11:22

暗物質新假說台大登《自然》封面

【台灣醒報記者賴義中台北報導】構成宇宙多數質量的暗物質是天文學一大謎團，台大研究團隊一反傳統觀點，指出暗物質是同時具有波和粒子性質的「極輕粒子」，並推論暗物質同時是黑洞的形成關鍵。由於理論結構完整，符合觀測結果，可能改寫未來宇宙物理學的研究方向，獲選為《自然：物理》期刊的封面故事。
現代物理學認為，構成物質的質子、中子，僅占宇宙質量的極少數，推論出85%的質量應由「暗物質」組成。由於暗物質幾乎不與物質作用，不發光，也沒有電磁輻射，即使是人類物理科技的結晶「大強子對撞機」，迄今仍無法找出存在的證據。
【波形的極輕暗物質】近年物理學家近年質疑，暗物質或許並非「重」粒子，而是比電子還要輕的「極輕」粒子。參與研究的台大天文所教授闕志鴻解釋，由於粒子的質量與波長成反比，粒子愈輕，波長愈大，極輕暗物質因此具有波的特質，且波長極長，可達100至1000光年，約等於「矮星系」大小。
論文第一作者、物理所博士薛熙于說，傳統觀測的尺度以百萬光年大小的星系為主，而矮星系僅1000光年，空間解析度不足，自然難以看見其變化。研究人員自組袖珍版的超級電腦，成功將解析度提升20多倍，好比從超廣角鏡頭到顯微鏡，將過去的觀測結果放大研究，驗證暗物質是極輕粒子的假說。
【孤立子與黑洞形成】黑洞也是宇宙學的另一大難題。研究團隊還發現，星系核心中的超重黑洞，和被稱為「孤立子」的超高密度物質波有關聯。由於已知黑洞是由物質而非暗物質構成，闕志鴻推論，孤立子就像漏斗般，藉由強烈的重力吸引，能讓星系內的物質「灌入」核心地帶，形成黑洞。
這項突破性發現可能將改變傳統物理界研究宇宙的方向，加上證據充足，榮登《自然：物理》7月份封面。不過，這項黑洞形成的新假說仍未經證實，闕志鴻形容，好比剪下100個人的頭髮，測量髮絲的直徑，發現與身高有相關，但並不知原因為何，尚待更深入的觀測來驗證。