一项新的研究报告称，科学家通过检查距离地球数十亿光年的扭曲时空斑块中的异常情况，对暗物质有了前所未有的发现。
暗物质是一种神秘的物质，占宇宙质量的大部分，但没有人发现过它。这项研究提供了直接的证据，证明暗物质可能是由超轻的粒子组成的，这些粒子累积起来就像波一样，而其他模型表明，这种不明物质是由较重的粒子组成的，不表现出波一样的行为。这些结果揭示了关于暗物质真实本质的新见解，暗物质被认为是科学中最重要的未解决问题之一，并暗示存在超越我们现有理论的新物理学。
暗物质在宇宙中的含量大约是构成恒星、行星和地球上所有生命的熟悉的“重子”物质的五倍，但我们迄今为止还没有努力确定这种奇怪的物质到底是什么。虽然暗物质不发光，但科学家们知道它的存在，因为我们可以看到它对天文物体(如星系团)的引力影响。
现在，由香港大学天体物理学博士生阿尔弗雷德·阿姆鲁斯(Alfred Amruth)领导的科学家们，借助阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)的广义相对论所预测的一种被称为引力透镜的奇特时空现象，对暗物质有了新的认识。
引力透镜就像天然望远镜，当来自一个物体(如星系)的光被位于它前面的另一个物体的引力场弯曲时，从我们在地球上的角度来看，就会形成引力透镜。背景物体在前景物体的引力作用下会出现扭曲、放大甚至倍增的现象，这使得科学家们能够看到远处物体的细节，而这些细节本来是看不到的——现在，科学家们可以探测可能表明暗物质存在的干扰。
“我们认为这是一个非常有力的证据，表明了暗物质的本质，主要是因为它使用了引力透镜技术，”阿姆鲁斯在给Motherboard的一封电子邮件中说。“其他天文观测通常依赖于更多的不确定性，但透镜效应是对系统中质量分布的一种非常具体的测试。由于暗物质只通过引力相互作用(在某些模型中可能是弱力)，这是可以用来研究暗物质本质的更纯粹的测试之一。”
阿姆鲁斯和他的同事们利用引力透镜的星系图像来实地测试两种流行的暗物质假设解释:一种是被称为轴子的超轻粒子，它的行为像波一样，另一种是更大的被称为弱相互作用大质量粒子(wimp)的粒子，它没有这些波一样的特性。
由于前景物体中暗物质的分布可能会导致背景物体的明显位置和亮度出现异常，因此研究小组能够在透镜图像中搜索可能指向其中一个候选物体的模式。根据周四发表在《自然天文学》(Nature Astronomy)上的一项研究，结果显示，轴子模型与透镜图像的匹配程度远远好于使用wimp模型的模型，这一发现可能会“使平衡向援引轴子的新物理学倾斜”，以此来解释暗物质。
阿姆鲁斯说:“我们第一次使用引力透镜来证明，波状暗物质确实可以被严格测试，而且它经得起我们通过非常具体的测试进行的审查。”“这为未来的工作开辟了道路，可以进一步测试波状暗物质，特别是随着詹姆斯韦伯太空望远镜等透镜观测的涌入。”
几十年来，科学家们一直在设计各种模型来解释暗物质，并试图通过一系列雄心勃勃的实验来捕获这种无法解释的物质的粒子。虽然这些努力的成本很高，但预期的回报是巨大的。
毕竟，揭开暗物质的本质将最终填补粒子物理学标准模型的中心空白。粒子物理学是解释宇宙中观测到的主要力量和粒子的理论框架。
然而，这一备受期待的成就仍然遥不可及，因为暗物质是如此难以捉摸和无反应。就好像这种物质是宇宙某个阴影领域的一部分，通过引力，它与我们熟悉的由恒星和星系组成的辐射世界只有微弱的联系。
阿姆鲁斯在谈到暗物质时说:“考虑到它是如此神秘，而且它构成了我们宇宙中的大部分质量，我发现我们真的不知道它是什么，这非常有趣和疯狂。”“现有的暗物质范式是所谓的WIMP(弱相互作用大质量粒子)冷暗物质。然而，这个模型面临着长期存在的问题，因此最近一个名为波状暗物质的新模型正在获得关注。”
“在这个模型中，暗物质是由非常轻的粒子组成的，它们像波一样共同作用，因此被称为波状粒子，”他继续说道，并指出研究的合著者汤姆·布罗德赫斯特开创了许多关于这些假设的波状粒子的预测。“其中一个关键预测以前从未被研究过，那就是星系或星系团中暗物质颗粒结构的存在。这是波状暗物质所特有的。你可以把它想象成沙滩上的沙子，只是颗粒状的暗物质散布在星系中。”
研究人员意识到，透镜星系的清晰图像可能会在观测中出现的异常中暴露出这些预测的结构。这种“亮度异常”经常出现在被称为爱因斯坦环的特殊透镜图像中，在这种图像中，一个背景物体被前景物体复制成四个单独的图像。其中两幅镜头图像可能比预期的要暗，而另外两幅可能比预期的要亮。此外，观测到的透镜图像的位置经常与预测相冲突，这被称为“位置异常”。
科学家们曾试图利用援引wimp的模型来解释这些异常现象，但这些预测通常与观察到的透镜物体的图像不符。为了看看波状轴子暗物质模型是否表现得更好，阿姆鲁斯和他的同事们收集了哈勃太空望远镜和欧洲VLBI网络捕获的透镜星系的观测数据，这是两个最灵敏的天文台，
特别是，研究人员检查了一个名为HS 0810+2554的明亮系统的爱因斯坦环图像，尽管他们也对其他系统进行了统计分析。令研究小组惊讶的是，波状暗物质模型与异常现象的同步性远远好于WIMP模型。
“事实证明，波状暗物质确实可以重现这些异常观测结果，这肯定令人惊讶!”Amruth说。“这是以前从未做过的事情，是一个真正令人兴奋的发现!”我们并没有期待每次都会有一个确定的结果，因为这是一件全新的事情，所以我们根本不知道该期待什么。”“然而，最近有越来越多的波状暗物质成功地再现了WIMP暗物质难以做到的一些其他天文观测(与透镜无关)，”他补充说。“所以我们知道，要理解和解释暗物质的本质，绝对需要新的物理学。”
这一结果支持了超轻轴子粒子可能是暗物质长期隐藏的组成部分的假设，这可能会为寻找这种奇怪的物质提供信息。这也让人们对WIMP模型产生了更多的怀疑，尽管要揭开暗物质的秘密身份还需要更多的研究。尽管如此，阿姆鲁斯认为轴子可能最终解释了迄今为止wimp无法解释的奇怪的宇宙现象。
他指出:“人们已经在实验室实验中寻找了几十年，投入了数十亿美元的资金，但到目前为止还没有发现任何WIMPS。”“很快，WIMPS将迎来清算的时刻，他们需要为考虑轴子扫清障碍。WIMP范式在物理界仍然有很强的影响力，但这是新思想需要面对的斗争，就像人们拒绝接受爱因斯坦的广义相对论一样，即使它已经被实验验证了。”
阿姆鲁斯和他的同事们已经在一颗爆炸恒星的透镜图像周围寻找类似的波状暗物质的特征，研究人员还希望詹姆斯·韦伯太空望远镜和其他下一代天文台能够进一步阐明暗物质的起源和本质。
不管这种物质是由轴子、wimp还是其他候选物质组成，它显然是我们现实世界中最重要的支柱之一。
阿姆鲁斯说:“由于暗物质构成了我们宇宙中的大部分物质，我认为弄清它是什么是至关重要的。”“这类似于人类发现了火，或者最近发现了电。起初，我们真的不知道火和电是什么，或者它们可以用来做什么。随着时间的推移，随着对宇宙的更好理解，我们设法操纵它们对人类文明有用。”
“现在，人类完全依赖电力，”他总结道。“同样，我认为真正理解暗物质的本质将推动人类进入下一个阶段，这是文明的飞跃!”
