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波暗物質與黑洞新解

  撰文者:薛熙于( 國立台灣大學物理系博士後研究員)、闕志鴻 (國立台灣大學物理系特聘教授)  2016-04-27
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近代天文物理觀測的重大謎團之一,是無法解釋佔宇宙總質量約85%的暗物質(dark matter),究竟為何物?本研究團隊在2014 年7 月1 日出刊的《自然物理》(Nature Physics) 雜誌發表的論文〈暗物質波的量子干涉形成宇宙結構〉(Cosmic Structure as the Quantum Interference of a Coherent Dark Wave)[1],首度打破傳統上視暗物質為「重」粒子的論點;我們提出相反的觀點,認為暗物質其實是「極輕型粒子」,但粒子密度極大。此一研究發現具重大突破性成就,獲選為該雜誌當期封面。基於此一模型,本研究團隊更在2014 年12 月的《物理評論快報》(Physical Review Letters)[2] 中,進一步探討星系核心與暗物質暈(dark matter halo,見圖一) 的質量關係,並據此解釋超重黑洞的形成。

目前粒子物理學家普遍認為暗物質是「重」粒子,其中最常見的候選者,為”大質量弱交互作用粒子(weakly interacting massive particles;WIMPs)”,其質量約為電子的十萬倍,一般相信有可能在大強子對撞機(Large Hadron Collider; LHC) 中找到。但目前讓大家失望的是,大強子對撞機並沒有新的發現,所找到的都是粒子標準模型預測的產物,包括2013年發現的希格斯粒子(Higgs boson)。其他較小型的重粒子暗物質偵測實驗,如美國礦坑裡的LUX 實驗,2014 年初也報告了令人失望的結果。再者,傳統的「重粒子」暗物質觀點近年來飽受天文界質疑,因為其特性與矮星系(dwarf galaxies) 的觀測不符。傳統暗物質模型預測在銀河系中應該有上百個矮星系,遠超過實際觀測到的數量。此外由觀測矮星系內部恆星之位置和速度的分布,可以推測在星系中心一千光年內的總質量,結果也嚴重低於傳統模型的預測。學界因此質疑,科學家是否應有新的思維。  

近年來物理學家也探討「極輕」暗物質的可能性,但都沒有具體的結果能跟觀測比較。我們近期發表的系列論文是第一個對極輕暗物質提出定量的預測,能與觀測比較並得到滿意的結果。

繼續閱讀全文 『物理雙月刊 37卷1期』



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