尋找暗物質，以及我們目前的發現

宇宙中有大約 85% 的質量是「暗物質」，那是一種神秘的材料，無法直接觀察到，但對宇宙有巨大的影響。這個奇怪的東西到底是什麼？它和我們的存在又有什麼關聯？天體物理學家瑞莎·韋克斯勒帶大家來探究為什麼暗物質是個重要關鍵，能協助我們了解宇宙如何形成。她也分享了全世界實驗室中的物理學家想出什麼有創意的方式來研究暗物質。

你可曾想過如果世界有
一點點不同，會怎麼樣？

你的人生會有何不同，

如果你不是活在現代

而是距離現代五千年的時代？

歷史又會有何不同，

如果各大陸在不同的緯度，

或者，太陽系的生命
會有怎樣的發展，

如果太陽的尺寸大了 10% 呢？

玩弄這些可能性

就是我的謀生工作，

不過我玩的是整個宇宙。

我在電腦上做宇宙模型。

這些數位宇宙有不同的起始點，

用不同量、不同的材料製造而成。

接著，我拿這些宇宙
和我們自己的宇宙做比對，

來看看它是什麼形成的，
以及它如何演化。

這種用天空的測量值
來測試模型的過程，

目前為止讓我們學到了
大量關於我們宇宙的知識。

我們所學到最奇怪的事情之一

就是宇宙中的大部分材料

都由一種和你我
完全不同的成份組成。

但若沒有它，

我們所認識的宇宙就不會存在。

我們用望遠鏡能看見的一切

僅佔宇宙全部質量的 15%。

其餘的 85%

不會發光或吸收光。

我們的肉眼無法看見，

我們無法用無線電電波、微波，

或任何其他類型的光來偵測它們。

但我們知道它在那裡，

因為它會影響到
我們能看見的東西。

這有點像你想要把地球的表面

和表面上的一切都畫成地圖，

但你的依據只有夜晚從太空中
拍攝的一張地球照片。

你能從光的所在得到一些線索，

但有很多是你看不見的，

從人到山脈都有。

你得要用這些有限的線索
來推斷地面上還有什麼。

我們把這個看不見的東西
叫做「暗物質」。

很多人聽過暗物質，

但即使你聽過它，

可能也覺得很抽象、

很遙遠，甚至可能很不重要。

有趣的是，

我們身邊都有暗物質，

可能這裡就有。

事實上，暗物質粒子

可能在你坐在這間房間時，

就正在穿過你的身體。

因為我們在地球上，
地球繞著太陽轉動，

而太陽正在飛馳穿越我們的銀河，

速度大約是每小時五十萬英里。

但暗物質不會撞上我們，

它會直接穿過我們。

所以我們要如何對它有更多了解？

它是什麼？它和我們的
存在又有什麼關係？

為了搞懂我們是如何出現的，

我們首先要了解
我們的銀河系怎麼出現的。

圖上的是現今我們的銀河系。

在一百億年前，它是什麼樣子？

或者，在一百億年後，
它會是什麼樣子？

至於我們已經透過對天空
進行大型研究的方式所描繪出來的

其他數十億個銀河，
又有什麼樣的故事？

它們的歷史又會有什麼不同，

如果宇宙是由其他東西構成，

或者宇宙中物質的量
比較多或比較少？

所以，這些模型宇宙的
有趣之處在於，

它們讓我們可以
去測試這些可能性。

咱們回到宇宙的最初——

大爆炸之後的那一瞬間。

在這最初的一刻，

完全沒有任何物質存在。

宇宙擴張的速度非常快。

而量子力學告訴我們，

物質時時刻刻都會

被創造出來和消滅掉。

此時，宇宙擴張的速度非常快，

快到被創造出來的物質
來不及被消滅。

因此，我們認為所有物質都是
在這個時候被創造出來的。

包括暗物質

以及形成你我的一般物質。

現在，再向快轉一點

到物質被創造出來之後，

質子和中子形成之後，

氫形成之後，

也就是大爆炸後的約四十萬年。

宇宙又熱又密實，且相當平滑，

但沒有到完全平滑的程度。

這張影像是用「普朗克衛星」
太空望遠鏡拍攝的，

呈現出宇宙的溫度，

各方向都有。

我們可以看見

有些地方比較熱，

也比其他地方更密實。

影像上的點

代表在早期宇宙中有比較多
或比較少質量的地方。

因為引力，那些點會變大。

在過去 138 億年間，

整體宇宙一直在擴張且降低密度。

但在那些點上，引力十分賣力，

因此會有比較多一點質量，

並把更多質量拉到那些區域中。

這些都有點難想像，

所以，我先讓大家看看
我在談的是什麼。

我剛剛提到的那些電腦模型
讓我們可以測試這些想法，

咱們來看看其中一個模型。

這支影片由我的研究團隊製作，

呈現出宇宙在最初的時刻
之後發生了什麼事。

各位可以看見，
宇宙一開始十分平滑

但有一些區域有比較多一點材料。

引力發動，把更多質量帶到

那些一開始相對有
額外多一點質量的點上。

隨時間過去，

在一個地方有足夠的量之後，

本來和暗物質完全
混合在一起的氫氣，

開始和暗物質分離，

冷卻下來，形成星體，

就得到了一個小銀河系。

經過了數十億年的時間，

那些小銀河系彼此相撞，

合併、成長，成為更大的銀河系，

就像我們自己的
銀河系，本銀河系。

如果沒有暗物質，會怎麼樣？

如果沒有暗物質，

那些點就永遠不夠變成塊狀。

結果發現，在單一高密度的區域，

需要有太陽一百萬倍的質量，

才能開始形成星體。

若沒有暗物質，

永遠無法在一個地方
聚集這麼多東西。

在這裡，我們可以
看到兩個宇宙並排。

各位可以看到，在其中一個宇宙裡

很快就會形成塊狀。

在那個宇宙裡，

銀河系很容易形成。

在另一個宇宙裡，

一開始的那些小塊狀

就會一直維持那麼小。

沒有發生什麼。

在那個宇宙中，不會
產生出我們的銀河系。

或任何銀河系。

不會產生本銀河系，

不會產生太陽，

不會有我們。

我們無法存在於那個宇宙中。

好，所以這瘋狂的東西，暗物質，

它幾乎是宇宙的全部質量，

現在正在穿過我們，

若沒有它，我們就不會在這裡。

它是什麼？

我們不知道。

（笑聲）

但我們有很多根據經驗做出的猜測，

以及許多點子可以再深入了解。

大部分的物理學家
認為暗物質是粒子，

和我們所知道的亞原子粒子
在許多方面都很相似，

就像光子、中子、電子。

不論它是什麼，

它的行為與重力非常相似。

但它不會發光或吸收光，

且它會直接穿過一般物質，

好像它們不存在一樣。

我們想要知道它是什麼樣的粒子。

比如，它有多重？

或者，如果它和一般物質
發生交互作用之後會如何？

物理學家對此有很多很棒的想法，

他們非常有創意。

但困難之處在於

那些想法橫跨的範圍非常廣。

暗物質有可能和最小的
亞原子粒子一樣小，

或者也有可能大到
和一百個太陽的質量一樣大。

所以，我們要如何知道它是什麼？

物理學家和天文學家
有很多方法可以尋找暗物質。

我們會做的其中一件事就是
建造敏感度高的偵測器，

放在很深的地下礦井中，

等待著，看有沒有可能

會有一個能穿過我們
和地球的暗物質粒子

會擊中一種密度較高的材料，

在通過時留下一些痕跡。

我們也在天空中尋找暗物質，

看有沒有可能
暗物質粒子會撞到彼此，

創造出高能光，讓我們能

從特殊的伽瑪射線望遠鏡看見。

我們甚至嘗試
在地球上製造暗物質，

做法是用瑞士的大型強子對撞機

讓粒子對撞，看看會怎麼樣。

目前，

所有這些實驗讓我們學到很多

暗物質「不是」什麼。

（笑聲）

但尚未了解它是什麼。

關於暗物質可能是什麼東西，
有一些很棒的想法，

若想法為真，實驗就看得到，
但並沒有看到。

所以我們得要繼續尋找，
更努力思考。

想要了解暗物質是什麼，
還有另一個方法，

就是研究銀河系。

我們已經談過

若沒有暗物質，我們的銀河系
和其他銀河系就不會存在。

那些模型也能針對銀河的
許多其他面向做預測：

它們在宇宙中如何分佈、
它們如何移動、

它們如何隨時間演化。

我們可以透過觀察天空
來測試那些預測。

讓我舉兩個例子，

說明我們能用銀河系
做什麼樣的測量。

第一，我們可以用銀河系
來畫出宇宙的地圖。

我是「暗能量巡天」研究的一員，

該研究製作出了目前
最大的宇宙地圖。

我們測量了八分之一的天空中

一億個銀河系的位置和形狀。

這張地圖讓我們看到在天空中
這個區域裡的所有物質，

其推論根據是來自
這一億個銀河系的扭曲光線。

光線會被那些銀河系和我們之間的

所有物質給扭曲。

物質的引力強到足以
彎曲光走的路徑。

就得出了這張影像。

所以，這類地圖可以告訴我們
那裡有多少暗物質存在，

以及存在的位置，

和其隨時間的改變。

所以，我們是從非常宏觀的角度

在試圖了解宇宙的組成。

結果發現，宇宙中最小的銀河系

提供了一些最好的線索。

為什麼會這樣？

這裡是用兩種不同的暗物質

模擬出來的兩個宇宙範例。

這兩張圖都呈現出
一個銀河系周圍的區域，

它很類似我們的本銀河系。

各位可以看到，
它周圍有許多其他材料，

小小的塊狀物。

在右邊的影像中，

暗物質粒子移動的速度
比在左邊的影像中更緩慢。

如果那些暗物質粒子移動得很快，

那麼，小塊狀物的引力不夠強，

無法讓那些快速粒子慢下來。

粒子會持續移動，
永遠不會崩塌成小塊狀物。

所以，最後在左圖
宇宙中的數量就比右圖少了。

如果沒有那些小塊狀物，

產生的小銀河系就會比較少。

抬頭看南方的天空，

你可以看到兩個
像這樣的小銀河系，

這些小銀河系中最大的兩個
在繞行我們的本銀河系，

大麥哲倫星系和小麥哲倫星系。

在過去幾年，

我們偵測到一大堆更小的銀河系。

這是其中一個例子，

是我們在製作宇宙地圖時所做的

暗能量巡天研究中偵測到的。

這些非常小的銀河系當中

有一些小到極點。

當中有些只有幾百個星體，

相較之下，我們的本銀河系
有數千億個星體。

因此很難找到這些小銀河系。

但，在前十年間，

我們真的發現了
不少這種小銀河系。

我們現在知道有六十個小銀河系

繞行我們的本銀河系。

這些小傢伙是了解
暗物質的大線索。

因為，光是這些銀河系的
存在就告訴我們

暗物質移動的速度不快，

且當它碰上了一般物質時，
不太會發生什麼現象。

在接下來幾年，

我們將會繪製更精確的天空地圖。

那些地圖會協助我們再改善

我們為整個宇宙及整個
銀河系所做的影片。

物理學家也在進行
敏感度更高的新實驗，

試圖在他們的實驗室中
捕捉暗物質的徵兆。

暗物質仍然是個大謎團。

但能投入研究它是很讓人興奮的。

我們有清楚的證據能證明它存在。

從最小型銀河系的規模

到整個宇宙的規模。

我們將來會找到它
並搞懂它是什麼嗎？

我不知道。

但試著找出答案的過程會很好玩。

我們有很多發現的可能性，

且我們肯定會更了解
它做什麼及不是什麼。

不論我們是否能
在近期找到那種粒子，

我希望我已經說服各位，

這個謎團其實離我們的家園很近。

尋找暗物質之旅

有可能是個關鍵，能讓我們
了解一種全新物理學

及我們在宇宙中的地位。

謝謝。

（掌聲）