【科學講堂】銀河系如「氹氹轉」 暗物質是「拉環」

● 四川的錦屏大設施位於地下2,400米處，總容積33萬立方米，是我國開展暗物質研究的絕佳場所。 資料圖片

●圖為科學家繪製出的銀河系結構圖。 資料圖片

●圖為星系周圍不同形式的暗物質產生的光滑時空與褶皺時空的圖示。 資料圖片

宇宙中的物質，原來大部分都不是我們日常所見的物料，而是所謂的「黑暗物質」。這些「黑暗物質」究竟是什麼？它們會否是「原初黑洞」？今天就和大家探討一下。

黑洞是暗物質嗎？

先簡單介紹一下「暗物質」（dark matter）。我們身處的銀河系中有無數星體，都在圍繞中心旋轉，想像我們身處一個很快的「氹氹轉」之中，為了不因為太高的速度而飛離這個「氹氹轉」，必需有足夠的力量把我們拉向中心。銀河系、宇宙的場景中沒有實質的拉環拉住星體，只能夠依賴物質之間的萬有引力。如此一來問題就出現了：我們可觀測到的物質，似乎並不足以維持整個銀河系以如此高的速度自轉。

不過，銀河系的旋轉是不可否認的事實，科學家就唯有推斷，銀河系、宇宙中還有許多不會發光、我們看不見的「暗物質」發揮着拉環的作用。

我們也許聽說過，天文學中的另一種與黑暗有關的物體：黑洞。黑洞是質量大的星體的最後階段，當它們內部的氫氣用完，便無法繼續進行核聚變以產生能量來支撐星體的重量，因而就會向中心崩塌，成為黑洞。黑洞之所以「黑」，是因為它的密度極高，相關的萬有引力場極大，以致光線也無法「逃脫」。黑洞因此顯得黑喑，難以直接觀察。

那麼，黑洞會否是暗物質的主要成分？答案基本是否定的，除了一個例外：科學家一直在密切研究較輕的元素（例如氦、鋰）如何在宇宙的初期形成，又監察來自大爆炸的輻射如何在宇宙中擴散。這些過程都受暗物質影響，最終幫助科學家反推出宇宙中暗物質的密度，發現其是我們日常所見物料密度的5倍！這也代表由正常物質組成的黑洞，不太可能是暗物質。不過，這當中有一個盲點，有一些黑洞被稱為「原初黑洞（primordial black hole）」，它們在宇宙初期、各種元素還未組成的時候就已存在，因此不受剛剛提到的規範所限，有可能是暗物質的「真正面目」。

這個猜想可以通過測試驗證嗎？根據愛因斯坦的廣義相對論，光線會受萬有引力影響而以彎曲的路徑行進，因此當一個原初黑洞在我們和星體之間經過，這個黑洞就好像一片放大鏡，把原來不會被我們看到的星光也聚焦到我們的視野之中，因而在感覺上，這顆星體好像突然變亮了。

光學重力透鏡實驗（Optical Gravitational Lensing Experiment，簡稱OGLE），就是這樣的一個實驗。實驗團隊在過去20年觀察了大麥哲倫星系（Large Magellanic Cloud）中數千萬顆星星，共記錄到13次星體突然變亮的現象。

根據這些數據，可以進一步推算出原初黑洞在宇宙中的數量，假設個別原初黑洞的質量各有不同（可能小至太陽質量的萬分之一，大至太陽質量的八百多倍），縱然把如此廣闊質量範圍的原初黑洞加起來，它們也只可能是所有暗物質的十分之一。

小結

我們原本猜測，原初黑洞很可能就是暗物質的真正面目，現在看來卻是不太可能了。不過，科學家還沒有完全排除這個可能性：極重或較輕的原初黑洞，仍有可能是暗物質的主要成分。在揭開暗物質神秘面紗這個課題上，我們還有很長的路要走。

●杜子航 教育工作者

早年學習理工科目，一直致力推動科學教育與科普工作，近年開始關注電腦發展對社會的影響。