圖一：由星系造成的引力透鏡效應(yīng)示意圖。 由遠(yuǎn)處的紅色星系所發(fā)出的光線經(jīng)過位于我們和紅色星系之間的藍(lán)色星系時(shí)會(huì)因?yàn)樗{(lán)色星系所產(chǎn)生的引力而彎曲。 就像一個(gè)自然界的宇宙放大鏡一樣，藍(lán)色星系放大了來自遙遠(yuǎn)紅色星系的光。 在這個(gè)例子中，紅色星系形成了多個(gè)影像，并在藍(lán)色星系的周圍形成了一個(gè)被稱為愛因斯坦環(huán)的紅色圓圈。 （圖片來源：ALMA， L Calcada， Y. Hezaveh et al.）
 

圖二：由哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的引力透鏡成像例圖。

左：2M130-1714， 背景星系的中心部分被多重成像至圖中四處明亮的藍(lán)色光點(diǎn)，背景星系本體影像則被扭曲成愛因斯坦環(huán)包圍著圖中作為前景透鏡的兩個(gè)黃色星系。 圖像來源：NASA/ESA/Hubble/T.Treu/Judy Schmidt。右：愛因斯坦十字，呈對(duì)稱狀的四個(gè)多重成像對(duì)應(yīng)于背景星系明亮的中心部分。 靠近十字中心的第五個(gè)光點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是前景透鏡星系。 （圖像來源：NASA/ESA/STSci。 )

圖三：星系周圍不同形式的暗物質(zhì)產(chǎn)生的光滑時(shí)空與褶皺時(shí)空的圖標(biāo)。

左：當(dāng)暗物質(zhì)由大質(zhì)量粒子組成時(shí)會(huì)形成平滑的時(shí)空曲率，來自背景星系的光線會(huì)在前景透鏡星系周圍沿著平滑的路徑傳播。

右：超輕暗物質(zhì)的隨機(jī)密度波動(dòng)令時(shí)空充滿皺縮，來自背景星系的光線會(huì)在前景透鏡星系周圍沿著混亂的路徑傳播。 因而不難推斷出，透鏡星系周圍的不同形式的暗物質(zhì)會(huì)使得我們?cè)诘厍蛏嫌^測(cè)到的背景星系的多重成像有不同的位置和亮度，從而天體物理學(xué)家得以探究暗物質(zhì)的本質(zhì)。

宇宙中的絕大部分物質(zhì)都無法被直接觀測(cè)得到，因?yàn)樗鼈冇蓸?biāo)準(zhǔn)粒子物理學(xué)模型（注1）所無法解釋的粒子組成。 按質(zhì)量計(jì)算，這些粒子占據(jù)了宇宙質(zhì)量的85%，數(shù)量之多令人十分驚訝。 這些粒子被稱為暗物質(zhì)。 暗物質(zhì)的存在可以通過它們對(duì)來自遙遠(yuǎn)星系的光產(chǎn)生的引力效應(yīng)來進(jìn)行推斷。 由于暗物質(zhì)支配著星系的質(zhì)量和引力，因此，找到暗物質(zhì)的構(gòu)造對(duì)現(xiàn)代物理學(xué)來說是一個(gè)迫切須要解決的問題 — 解開這個(gè)謎團(tuán)能帶領(lǐng)我們走向超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理學(xué)。

一些理論模型提出暗物質(zhì)有可能是由大質(zhì)量粒子組成，而另一些則認(rèn)為較可能由超輕粒子組成。

由香港大學(xué)（港大）物理學(xué)系林仁良博士團(tuán)隊(duì)中的博士生Alfred AMRUTH領(lǐng)頭，與來自香港科技大學(xué)（科大）的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主喬治·斯穆特教授及哈佛-史密松天體物理中心的Razieh EMAMI博士合作的研究，提供了當(dāng)今直接有力的證據(jù) — 研究指出暗物質(zhì)并非由大質(zhì)量粒子組成，而是由能像波一樣穿梭于太空之中的超輕粒子組成。 這些研究結(jié)果解決了一個(gè)在二十年前提出的天體物理學(xué)問題 — 為什么采用大質(zhì)量粒子的模型無法正確預(yù)測(cè)由引力透鏡效應(yīng)產(chǎn)生的同一星系的多重影像的位置和亮度？ 研究結(jié)果近已在《自然·天文學(xué)》期刊上發(fā)表。

暗物質(zhì)既不會(huì)發(fā)光，亦不會(huì)吸收或反射光，因而難以運(yùn)用傳統(tǒng)的天文學(xué)技術(shù)來觀測(cè)。 如今，天體物理學(xué)家用以研究暗物質(zhì)的方法，是通過愛因斯坦在廣義相對(duì)論中預(yù)測(cè)的引力透鏡現(xiàn)象。 在這個(gè)理論中，質(zhì)量會(huì)扭曲時(shí)空，使得光線在質(zhì)量巨大的物體如恒星、星系或星系團(tuán)的周圍彎曲。 通過觀察這種光的彎曲，科學(xué)家們可以推斷出暗物質(zhì)的存在和分布，以及正如本研究所證明的那樣，推斷出暗物質(zhì)本身的性質(zhì)。 如圖一所示，當(dāng)前景透鏡物體和背景物體（兩者各自都是單獨(dú)的星系）對(duì)齊時(shí)，我們便可以在天空看到多幅相同背景物體的影像。 其中多重成像的位置和亮度，取決于前景透鏡物體的暗物質(zhì)分布，因此引力透鏡為探測(cè)暗物質(zhì)提供了一個(gè)非常有力的方法。

在二十世紀(jì)七十年代時(shí)，當(dāng)暗物質(zhì)的存在被敲定以后，一種被稱為「大質(zhì)量弱相互作用粒子」（WIMPs）的假想粒子被提出作為暗物質(zhì)的候選粒子。 這種被認(rèn)為擁有至少比質(zhì)子重十倍并只以弱作用力與其他粒子產(chǎn)生交互作用的大質(zhì)量粒子源于「超對(duì)稱理論」，此理論用以填補(bǔ)標(biāo)準(zhǔn)模型中的不足，并自提出以來就被大力鼓吹為暗物質(zhì)的候選粒子。 在過去的二十年中，天體物理學(xué)家一直采用這些大質(zhì)量粒子作為暗物質(zhì)，并假設(shè)暗物質(zhì)密度從星系中心平滑地向外遞減，卻未能正確地重現(xiàn)多重成像的位置和亮度（見圖二）。

暗物質(zhì)本質(zhì)的另一假設(shè)
同樣始于七十年代，一些理論卻主張超輕粒子作為暗物質(zhì)的候選成分。 這些理論旨在糾正標(biāo)準(zhǔn)模型中的缺陷，或試圖一統(tǒng)四種基本力（標(biāo)準(zhǔn)模型中的三種力加上引力）。 這些假想粒子被稱為「輻子」，其預(yù)測(cè)質(zhì)量甚至比標(biāo)準(zhǔn)模型中輕的粒子還要輕得多，是暗物質(zhì)的另一個(gè)候選粒子。

根據(jù)量子力學(xué)理論，超輕粒子以波的形式在太空中傳播，而大量粒子之間的互相作用，導(dǎo)致密度產(chǎn)生隨機(jī)波動(dòng)，這些暗物質(zhì)的隨機(jī)密波動(dòng)導(dǎo)致時(shí)空皺縮，有如圖三中環(huán)繞著星系的暗物質(zhì)所示。 不出所料，基于大質(zhì)量粒子組成的暗物質(zhì)和基于超輕粒子組成的暗物質(zhì)會(huì)在星系周圍分別產(chǎn)生出不同的時(shí)空狀態(tài)，或光滑或呈皺折狀，并如同圖中所示般改變了背景星系的多重成像的位置和亮度。

由港大林仁良博士團(tuán)隊(duì)中的博士生 Alfred AMRUTH帶領(lǐng)，團(tuán)隊(duì)計(jì)算了由超輕暗物質(zhì)粒子（也稱為波狀暗物質(zhì)）與大質(zhì)量暗物質(zhì)粒子所組成的星系在生成引力透鏡成像方面的差異。 該研究從引力透鏡的角度證明，由超輕粒子組成的暗物質(zhì)可以大幅度減少大質(zhì)量粒子暗物質(zhì)模型下多重成像的預(yù)測(cè)位置和亮度與實(shí)際觀測(cè)上的差異。 此外，他們證明了包含超輕暗物質(zhì)粒子的模型可以重現(xiàn)多重透鏡星系成像的位置和亮度，這一成果揭示了星系周圍時(shí)空應(yīng)呈現(xiàn)皺縮而非平滑的特性。

「長(zhǎng)久以來，科學(xué)界一直主張暗物質(zhì)并非由大質(zhì)量粒子組成，以解決實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和天文觀測(cè)中的其他問題。」 林仁良博士續(xù)說：「實(shí)驗(yàn)室里一直未能成功地找到WIMPs這種長(zhǎng)期被認(rèn)為是暗物質(zhì)的候選粒子。 這些實(shí)驗(yàn)正處于的階段，并在 DARWIN實(shí)驗(yàn)達(dá)到探測(cè)靈敏度的高峰時(shí)，如果還是找不到WIMPs的存在，屆時(shí)大質(zhì)量粒子的假設(shè)將再無處容身」（注二）?！?/p>

現(xiàn)任巴斯克大學(xué)Ikerbasque教授、港大訪問教授暨文章合作者之一Broadhurst教授補(bǔ)充道：「如果黑暗物質(zhì)是由大質(zhì)量粒子組成，那么根據(jù)宇宙模擬預(yù)測(cè)，應(yīng)該有數(shù)百個(gè)衛(wèi)星星系繞著銀河系。 然而，盡管進(jìn)行了大量搜索，但到目前為止只發(fā)現(xiàn)了約50個(gè)。 相反，如果暗物質(zhì)由超輕粒子構(gòu)成，那么根據(jù)量子力學(xué)理論的預(yù)測(cè)，由于這些粒子的波動(dòng)會(huì)產(chǎn)生干涉，低于一定質(zhì)量的星系根本無法形成，這解釋了為什么我們觀察到銀河系周圍缺乏小衛(wèi)星星系。」

Amruth認(rèn)為將超輕粒子納入暗物質(zhì)模型，可以同時(shí)解決粒子物理學(xué)和天體物理學(xué)中的幾個(gè)長(zhǎng)期存在的問題。” 他表示：「推翻長(zhǎng)久以來被視為暗物質(zhì)候選粒子大質(zhì)量粒子并不容易，但越來越多的證據(jù)支持暗物質(zhì)具有超輕粒子所擁有的波動(dòng)特性，可見現(xiàn)有的暗物質(zhì)范式須重新考慮。」 這項(xiàng)開創(chuàng)性的研究運(yùn)用了港大超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，沒有它的強(qiáng)大運(yùn)算能力，這項(xiàng)研究研究可能不會(huì)成功。

共同作者喬治·斯穆特教授補(bǔ)充說：「了解構(gòu)成暗物質(zhì)的粒子的性質(zhì)是邁向新物理學(xué)的步。 這項(xiàng)工作為未來在涉及引力透鏡的情況下測(cè)試類波暗物質(zhì)打下了基礎(chǔ)。 詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡應(yīng)該會(huì)發(fā)現(xiàn)更多的引力透鏡系統(tǒng)，使我們能夠?qū)Π滴镔|(zhì)的性質(zhì)進(jìn)行更嚴(yán)格的測(cè)試?！?/p>