暗物质在我们对于宇宙的了解中仍是一个巨大的问号,不过,瑞士洛桑联邦理工学院天文学家David Harvey等人利用哈伯太空望远镜和钱卓X射线观测卫星观测星系团互撞时,星系团中的暗物质会有什么样的行为模式,结果发现暗物质彼此间的交互作用程度比先前认为的还要少,但这一发现也将暗物质可能的“身份”范围缩减,希望最终能揭开暗物质的神秘面纱。
目前科学家们对暗物质的了解仍然非常粗浅,仅知宇宙中的暗物质含量比可见的一般物质还要多。造成这种尴尬境况的原因在于:暗物质不反射、发射或吸收光线,因此无从用现代仪器“看到”这些暗物质,只能透过暗物质对一般可见物质的重力效应来窥见暗物质的存在,因此才会将之称为“暗”物质。由于对它的不了解,因此对暗物质性质的猜测相当多元化而复杂。
为了更了解这些神秘的物质,Harvey等人透过类似研究可见物质的实验,期待观察到暗物质与一般物质撞击时会发生什么事。因为规模够大才能看出撞击效应,他们挑选了星系团作为观察目标。星系主要由恒星、气体云和暗物质组成。当星系团发生碰撞事件时,散布在星系各处的气体云会彼此撞击,而后逐渐减速或什至停下;换言之,星系撞击时的气体-气体交互作用非常强。然而恒星本身则很少受到星系团撞击时的气体阻滞力影响,而且由于恒星彼此间的间隙很大,所以并不会彼此影响而使速度减慢,不过如果真的发生恒星互撞,则摩擦减速的力道也还是很庞大的。
先前认为暗物质的行为应该类似子弹星团中所呈现的。但仅有一个案例,很难预测将会看到什么。每一次的星系团碰撞都耗时数亿年才结束,因此以人类生命而言,我们只能从一个特定角度看到碰撞事件的某一瞬间。但碰撞案例数量若能增加许多,那么便可从各个碰撞呈现的片段资讯,拼贴出比较完整的剧情,了解事态的发展走向。
Harvey等人从哈伯和钱卓观测资料中选取的72个大型星系团撞击事件进行研究。这些撞击事件发生在不同时期,所见的撞击角度也互异,有些是从侧边所见,有些则是正面的俯瞰景象。既然已知气体和恒星在星系团互撞过程中会如何行动,以及会在何处发生这些事件,那么仅需对照暗物质如何作用,就可以帮助科学家缩减暗物质可能的组成成分的范围。
这些天文学家发现:像恒星一样,暗物质在剧烈撞击时会持续前进,并不会慢下来。然而又和恒星不一样,暗物质之所以不会慢下来,并不是暗物质彼此间距离很远,碰不到一起的关系。现行公认的理论认为暗物质是均匀的散布在星系团内,因此暗物质粒子彼此间应该靠得很近。所以暗物质在星系团撞击过程中之所以不会慢下来,是因为它们不仅几乎不与一般可见物质粒子交互作用,而且暗物质彼此间的交互作用程度也比之前认为的还低;这项事实,正是让Harvey等人能缩减暗物质的可能性质的关键。
现行最被接受的暗物质理论认为暗物质可能是由“超对称粒子”所组成。在标准模型中,认为电子、质子、中子等所有粒子都有它自己的超对称粒子伙伴,这些超对称粒子伙伴的质量比粒子本身稍重一些。这项理论迄今还无法获得实验证实,不过已经可以协助科学家们解决一些纷争;超对称理论其中一项概念认为粒子是稳定且为电中性,与标准模型中的一般粒子仅有很微弱的交互作用。而这些性质,似乎都能解释暗物质的性质。
Harvey等人目前计画要继续增加碰撞星系团的案例数,甚至考虑将单独的星系撞击也纳入研究范围,毕竟单独星系撞击的事件比星系团碰撞要常见多了。