引力透镜能揭示暗物质的本质吗？

当谈到“宇宙是由什么构成的？”这个问题时，现代科学已经以前所未有的方式揭示了答案。构成我们宇宙中的行星、恒星、气体和尘埃的物质都是正常物质：由质子、中子和电子构成的东西。质子和中子又由夸克和胶子组成，电子是宇宙中六种轻子之一。连同携带力的粒子玻色子，这些基本粒子总共占宇宙总能量的5%左右。

但其他95%，虽然我们知道如何对它进行分类——27%的暗物质和68%的暗能量——就其真实性质而言，仍然难以捉摸。虽然天体物理学已经揭示了它们的许多特性，暗能量表现为空间本身固有的一种能量，暗物质表现得好像它是由缓慢移动、冷、无碰撞的大质量粒子组成的，但我们仍然没有直接揭示它们的真实本质。

在一项疯狂的新研究中，一个团队声称发现了一种新的天体物理学证据，该证据不仅支持冷暗物质，而且支持一种超轻的波状暗物质，而不利于更大，更重的WIMP暗物质。这肯定是一个大胆的主张，但许多人远未被说服。原因如下。

这个四面板动画显示了潘多拉星团Abell 2744中存在的单个星系，以及钱德拉的X射线数据和由引力透镜数据构建的透镜图。X射线和透镜图之间的不匹配，如在各种各样的X射线发射星系团中所示，是支持暗物质存在的最强指标之一。重要的是，透镜是对广义相对论的另一个明确但富有想象力的预测，早在它被观察到之前就被承认“必须存在”。

图片来源：X射线：NASA/CXC/ITA/INAF/J.Merten等人，Lensing：NASA/STScI;NAOJ/斯巴鲁;ESO/VLT，光学：NASA/STScI/R.Dupke;动画：E.西格尔

你可以对暗物质做出的最简单模型是，它只由一种粒子组成：所有暗物质粒子的质量都相同。这些粒子不会相互结合形成复合结构，也不会相互碰撞或交换动量，也不会与任何正常物质粒子碰撞或交换动量。他们所做的只是引力，并根据时空曲率影响他们的运动而移动。

随着时间的推移，它们将驱动宇宙结构的形成，形成暗物质的球状晕，而正常物质 - 确实碰撞，粘在一起，形成绑定的复合结构 - 沉到这些晕的中心，在那里它们形成熟悉的恒星和星系结构，包括螺旋星系和椭圆星系。

但暗物质仍然是弥散的，大致呈球状分布，延伸到正常物质范围的10倍以上。一个类似银河系的星系，端到端的距离可能略高于10万光年，就其正常物质而言，而笼罩着我们的暗物质晕向各个方向延伸超过100万光年。

当地球绕太阳运行时，我们银河系周围的暗物质晕应该表现出略有不同的相互作用概率，从而改变我们在银河系中暗物质中的运动。我们观察到的每个星系的恒星范围都嵌入在一个更大的暗物质晕中，对于一个典型的类似银河系的星系来说，它可以延伸数百万光年。

图片来源：ESO/L. Calçada

在更大的宇宙尺度上，巨大的暗物质晕应该围绕着星系群和星系团。虽然每个星系都应该拥有自己的大质量暗物质晕，但也应该有一个完全独立于任何单个较小尺度团块的大规模暗物质分布。这些暗物质晕，如果你非常粗略地检查它们，会显得光滑和球状：中心密度最大，向郊区密度降低。

但是在这种平滑的结构中会出现一个更复杂的子结构。星系团中的每个星系都有自己的暗物质晕。此外，嵌入在每个星系晕以及整个星系团晕中的是更小的暗物质团块：暗物质亚结构。数千甚至数百万个较小的迷你晕可以存在于这些较大的结构中，并且可以通过引力透镜重建这些星团的质量分布来揭示它们的存在。

来自“背景”星系（比透镜星系团更远但沿着相同视线的星系）的光的扭曲使天体物理学家能够重建星系团本身内整体物质的质量分布和质量分布。

一个星系团可以从可用的引力透镜数据重建其质量。大部分质量不是在单个星系内发现的，这里显示为峰值，而是来自暗物质似乎所在的星系团内的星系际介质。更精细的模拟和观测也可以揭示暗物质的子结构，数据与冷暗物质的预测非常一致。

学分：A.E.埃夫拉德，自然，1998

在我们进行这项雄心勃勃的努力时，我们需要关注两种类型的引力透镜。

强引力透镜：这是产生环、弧和同一背景物体的多个图像的效果。当（前景）镜头的形状与背景物体完全或几乎完美对齐时，来自该背景物体的光线将被前景质量拉伸、弯曲、扭曲和放大。这创造了所有背景物体中视觉上最壮观和放大倍率最高的图像，但只有在存在相对罕见的对齐时才会发生。

弱引力透镜：这种效应要微妙得多，但也更常见。前景质量的存在扭曲了背景星系的形状、位置和表观方向，沿着围绕质量的圆的“圆周”拉伸，但沿着这些圆的“径向”方向压缩。弱引力透镜需要大量的物体来量化，是一种统计效应，但在揭示暗物质方面却非常强大。

迄今为止，这两种效应已经在各种各样的系统中进行了研究，并且确实揭示了星系晕和星系团中可疑的“暗物质亚结构”。

这张哈勃大质量星系团MACSJ 1206的图像显示了前景星系团的引力光弯曲引起的电弧和拖尾特征。以蓝色表示的暗物质的小规模浓度已经根据透镜数据进行了重建。将这些透镜信息与星团内光信息相结合，这是暗物质的另一个独立示踪剂，可以前所未有地揭示它的存在和分布。通过这样的分析，我们发现所有的暗物质晕都由一组丰富的暗物质子结构组成。

图片来源：NASA、ESA、G. Caminha（格罗宁根大学）、M. Meneghetti（博洛尼亚天体物理和空间科学天文台）、P. Natarajan（耶鲁大学）、CLASH团队和M. Kornmesser（ESA/哈勃）

但所有这些都属于一个非常具体的假设：暗物质表现为粒子。对于宇宙中所有已知的粒子来说，这都是正确和合理的，但对于暗物质来说可能并非如此。

你可能还记得量子力学中的这个概念：波/粒子二象性。它指出，每当两个量子彼此之间发生足够能量的相互作用时，它们的行为就像粒子一样，以明确定义的位置和动量相互散射，直到它们拥有的固有量子不确定性的极限。但是当单个量子不相互作用时，它们的行为就像波一样：在空间上扩散。

所有粒子和粒子系统都有一个可以分配的“波长”。对于无质量的粒子，如光子，该波长由它们的能量决定。但对于大质量粒子来说，该波长由粒子的动量决定，这与粒子的静止质量有关。粒子质量越大，其德布罗意波长就越小，但对于质量非常低的粒子 - 比标准模型中已知的任何粒子质量更小的粒子 - 它们的波长确实可能非常大。

德布罗意波的想法是，每个物质粒子也可以表现出类似波的行为，波的性质由系统的动量和能量等量给出。一切，从电子到人类，在适当的条件下都表现得像波。粒子的动量（即速度和质量的组合）越低，其德布罗意波长就越长。

图片来源：Maschen/Wikimedia Commons

对于一个以1千米/秒的速度在空间中移动的粒子来说，它的德布罗意波长高度依赖于它的质量。对于质子质量的物体，它的波长大约是10-10米:大约是一个原子的大小。对于一个电子质量左右的物体，它的波长大约是1微米:一个典型细菌的大小。对于质量低得多的东西，比如中微子的质量，它的波长可能高达100米甚至几公里。

但对于暗物质来说，质量是完全不受约束的。它可以在已知粒子范围内的任何地方，也可以远远超出已知粒子的范围。

例如，wimzillas是一种超重的暗物质粒子，它的质量是质子的千万亿倍，它的德布罗意波长甚至比大型强子对撞机所能探测到的波长还要小。

从理论上讲，WIMP的波长比质子的波长小100-1000倍，并且将它们纯粹视为宇宙尺度上的粒子不会丢失任何东西。

但在极端超轻的一端，有可能有大量质量极低的暗物质粒子：质量只有10-30乘以已经很轻的中微子。

由于质量足够小，暗物质粒子甚至可能在银河系甚至星系团尺度上表现出类似波的行为。

根据模型和模拟，所有星系都应该嵌入暗物质晕中，其密度在银河系中心达到峰值。在足够长的时间尺度上，也许是十亿年，来自光环外围的单个暗物质粒子将完成一个轨道。在每个暗物质晕中，将存在一系列子结构，各种子结构的数量，大小和分布取决于存在的暗物质的类型和温度。必须包括这些效应才能获得暗物质晕质量分布的真实模型。

图片来源：NASA、ESA 和 T. Brown 和 J. Tumlinson （STScI）

作为一名理论物理学家，我对这种情况最大的担忧是以下几点。

科学家提出超轻的波状暗物质是一种可能性。

他们进行3D建模，以确定引力透镜信号在什么条件下会揭示波状特性。

其他理论家也加入了这一行列，并炮制出具有相关质量的候选粒子。

然后观察方面的人发现了一些低质量的东西——比如一个分辨率很差的强透镜观测物体——看起来像这些模型之一，然后说，“嘿，看！我们已经揭示了暗物质的本质，并表明它是波状的，支持一种特定的奇异场景，而不利于其他非波状暗物质场景。

第 1 步和第 2 步发生在 2014 年;第 3 步在接下来的几年中逐渐发生，2021 年发表了对波暗物质状态的精彩回顾;然后第 4步发生在2023 年 4月 20 日，可以预见且非常不幸的是。一组科学家 - 包括首次提出波状暗物质的原始理论家以及一组观察者 -观察了一个强大的透镜系统HS 0810+2554，并得出结论，暗物质是波状的，而不是任何那些更重的，非波浪的类型。

这显示了哈勃太空望远镜对多透镜QSO系统的发现图像：HS 0810 + 2554。背景的多个图像，透镜光源可以帮助揭示前景质量的引力透镜几何形状。

图片来源：D. Reimers et al.， A&A， 2002

部分原因是正确的：如果暗物质真的是由质量极低的粒子组成的，我们看到的引力透镜信号应该揭示这些类似波的行为。这是我们应该能够通过观察进行测试的东西，但有一个问题：对暗物质的小规模行为和分布进行建模是一项令人难以置信的挑战。

通常，有许多不同的透镜模型与任何特定观测的数据兼容，只有在表现出非常清晰和特别强的透镜特征的最完美对齐的系统中，这种分析才能被信任。这就是为什么，为了得出一个负责任、可靠的结论，你需要证明你所寻求的效果不仅仅是一个具有低质量观测的系统的特征，而是表明这个特征对于你正在检查的系统类型是通用的。

此外，透镜分析仅对沿视线存在的质量总量敏感;他们无法告诉你质量的哪一部分是正常物质，哪一部分是暗物质。在任何类型的透镜分析中，你必须非常非常小心的是：如果你使用暗物质分布的粗略模型，它不能完全解释以下因素的相互作用：

暗物质

在正常物质和辐射下，

包括恒星反馈、加热、气体蒸发、电磁效应、分子冷却和动态暗物质加热，

你会对你的发现得出一个不合理的科学结论。

该图比较了遵循NFW剖面的粒子暗物质模型的放大倍率轮廓（左）与波状暗物质放大轮廓的两个不同实例（中和右）。需要对大量系统进行一些非常好的观察才能真正辨别这些模型，这甚至没有考虑到对暗物质和正常物质的分布进行充分建模。

学分：A. Amruth 等人，《自然天文学》，2023 年

我真正不喜欢这项最新研究的是，他们不仅只使用一个强大的透镜源进行分析，而且还使用了最粗略、最简化的非波状暗物质模型：古老的（从1990年代中期开始）纳瓦罗-弗伦克-怀特（NFW）剖面。它不包括任何暗物质/正常物质相互作用，没有反馈，没有气体动力学，没有加热或冷却等。它基本上是采取：

一个过于简化的暗物质模型，

不包括子结构或子光晕，

单个强引力透镜源的模糊图像，

并将模糊图像与过度简化模型与波状暗物质模型进行比较，

并得出结论，波状模型比过度简化的模型更适合，

因此，暗物质是超轻的和波状的。

我不会说作者在哭狼，但他们严重夸大了他们的理由，当他们说，“ψDM（即波状暗物质）即使在HS 0810 + 2554等要求苛刻的情况下也能解决透镜异常的能力，以及它在复制其他天体物理学观测方面的成功，使天平向新的物理学调用轴子倾斜。不，他们绝对不会。

引力透镜研究的整个基础声称有利于波状暗物质，都封装在这张图中。作者简单地对正常物质和暗物质进行了建模，如图所示，用十字显示了标准的透镜预测，用圆圈显示了实际的观测结果。在十字架和圆圈不重叠的地方，他们声称它不利于粒子状暗物质。通过显示75种可能的波状暗物质解决方案（颜色编码点）的实现，他们断言这些点更适合数据。这有说服力吗？

学分：A. Amruth 等人，《自然天文学》，2023 年

更準確的是說，我們不知道暗物質的真正本質是什麼，引力辭熱提供了一種潛在的方法來辨別一些質量非常低的候選者，這些候選者可以表現出波狀般的行為，而一些更重，質量更大的候選者不應該在宇宙有趣的尺度上表現出類波的行為。这篇新论文中研究的一个透镜系统HS 0810 + 2554充其量只是稍微暗示我们应该更认真地对待这种波状暗物质场景，但事实是，确定暗物质性质的举证责任是巨大的。

要做到这一点，需要对数千个引力透镜系统进行强有力的分析，显示非波状暗物质的不足以及类波暗物质在解释它们方面的成功。这将需要成功地解释所有这些困难的正常物质/辐射/暗物质相互作用，并为这些物体构建一套强大的暗物质图，进一步证明它们的波状性质。它必须避免通常与超轻暗物质模型相关的病理，例如过度关闭宇宙或产生过多的CP违反，以与粒子物理学观察保持一致。

虽然人们很容易不加批判地支持这样一个大胆的主张的新结果，但实际上，科学谨慎而怀疑地进行，在得出结论之前需要一套非凡的证据。这项新研究充其量只能提供一个提示，但可能只是眯着眼睛看着一个模糊的斑点，看看作者想看到什么。为了真正证明他们的观点，他们面前有很多繁重的工作。