探索宇宙的黑暗面：纪念薇拉·鲁宾
原理放了两天圣诞假期后，回到工作岗位刚上线就看到来自美国普林斯顿的一个噩耗：天文学家薇拉·鲁宾于圣诞节（2016年12月25日）自然辞世。为了纪念薇拉·鲁宾，我打算把这篇文章作为《万有理论》系列文章的第4篇。
Vera Rubin：“Science progresses best when observations force us to alter our preconceptions.” （图片来源：Linda Davidson，@ 2010）
“名誉是短暂的，‘我’的数量比我的名字更重要。如果天文学界多年后仍在引用我的数据，才是对我最大的恭维。”
——薇拉·鲁宾
【薇拉·鲁宾的发现】
如果你没听过薇拉·鲁宾（Vera Rubin），但我相信你肯定听过什么是暗物质。正是薇拉·鲁宾找到了暗物质存在的确凿证据。
Fritz Zwicky和他的论文。
其实早在1930年代的时候，弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）就在研究后发星系团的时候发现，在星系团内的星系运动速度异常的快。他通过维里定理（Virial theorem）推算出星系团的质光比（mass to light ratio）大约为500，换句话说后发星系团应该存在着大量看不见的物质。虽然他的研究并没有引起很大的注意，但那是第一次让我们意识到宇宙可能存在着黑暗的一面。
薇拉·鲁宾和她的论文。
直到1960年代末，薇拉·鲁宾通过光谱分析测量了仙女座星系中心和边缘的恒星运行速度。根据牛顿的引力定律，当恒星离银河系中心越来越远的时候，它的速度也会变得越来越慢，比如在太阳系（下图左）中，冥王星需要248个地球年才能绕太阳一圈，而水星（比冥王星大一点）只需要88个地球日。然而，当我们预期在星系的旋转曲线中看到同样的情况时，薇拉·鲁宾对仙女座星系的测量结果震惊了所有人（下图右）。
星系的旋转曲线：左边为太阳系，右边为仙女座星系。
我们看到，当恒星距离星系中心越来越远的时候，速度并没有减少，而是保持均速。如果薇拉·鲁宾的测量是正确的，星系中的可见物质根本无法维系恒星，因此必须存在着大量我们看不见的物质提供了额外的引力来源，否则星系早应该分崩离析。
之后，薇拉·鲁宾测量了更多的星系，发现这样的现象并不只存在于仙女座星系，而是所有他们测量的螺旋星系。科学家也发现星系中的气体也跟恒星一样，保持着相同的速度。薇拉·鲁宾的发现得到了其它实验结果的支持。
天文学家在星系团、微波背景辐射等观测中找到了更多暗物质存在的证据。
宇宙的成分：暗物质约为26.8%，暗能量约为68.3%，而普通物质只占4.9%（图片来源：ESA/Planck）
【暗物质是什么？】
虽然我们知道暗物质的确存在，并且占据宇宙能量和质量的26.8%，但是科学家从来没有在实验中直接探测到它们。我们知道暗物质不是什么，要比知道它是什么了解的更多。
暗物质究竟是什么？（图片来源：Sandbox Studio）
从天文学观测中，我们可以得出如下结论：暗物质不发光、稳定、电中性和物质的相互作用很弱。在和所有已知的标准模型粒子进行比对后，科学家发现没有一种粒子符合暗物质的特性，因此很可能是一种超越标准模型的新粒子。科学家提出了许多的模型，下面是一些最强有力的暗物质粒子候选者：
弱相互作用大质量粒子（WIMP）：WIMP被认为是最有希望的暗物质候选者，它的质量非常大，而且它们之间只存在弱相互作用和引力。在早期宇宙中，暗物质应该充满了整个宇宙，并且和它对应的反粒子相互湮灭。根据理论计算，WIMP的剩余丰度与今天宇宙学观测所得到的暗物质密度一致，这被称为WIMP奇迹。
轴子（Axion）：在1970年代，Helen Quinn和Roberto Peccei为了解决强Cp问题就提出了轴子的存在。与WIMP相反，轴子的质量要比电子还轻大约100亿倍。轴子场也出现在弦理论以及其它试图扩展基本物理定律的理论之中。（可查看《一个理论，同时解决物理学的五个大问题》。）
惰性中微子（Sterile neutrinos）：夸克、电子以及几乎所有其它物质粒子都同时存在左手性和右手性。但是现在已观测到的三种不同的中微子都是左手性的。许多理论学家预言应该存在还未发现的质量更大的右手性中微子，而且很少发生相互作用，这种粒子被称为“惰性”中微子。惰性中微子与普通物质只发生引力相互作用，科学家相信它也是暗物质的候选者之一。
超中性子（Neutralino）：是一种由超对称理论预言的假想粒子。超对称理论假设标准模型中所有的基本粒子都有与之对应的超对称粒子，这些粒子足以构成暗物质，但它们都极难探测到。其中最容易被观测到的就是超中性子。如果能发现中性微子就可以解决两个重大难题：告诉我们什么是暗物质，以及证明超对称理论的存在。
卡鲁扎-克莱因暗物质（Kaluza-Klein dark matter)：早在1920年代的时候，卡鲁扎和克莱因发现，只要给空间多加一个维度，引力和电磁力就可以被统一了。而这个维度被卷曲的太小了，使得我们无法探测到在其中运动的粒子，这些粒子被称为卡鲁扎-克莱因暗物质。如果能够确认它们的存在，也将是对弦理论强有力的支持。
许多天文观测都指向了暗物质的存在。（图片来源：Sandbox Studio）
除了这些，物理学家还提出了非对称暗物质（Asymmetry dark matter）、强相互作用大质量粒子（SIMP）、复合暗物质（Composite dark matter）、镜像世界中的暗物质（Mirror World dark matter）等，每种粒子都有相应的理论支持。但暗物质究竟是由什么组成的，唯有靠实验才能告诉我们最后的答案。
【探测方法】
为了揭开暗物质的真实面目，世界上有许多的大型实验都正在进行着，这些实验包括地下和空间实验，以及在南极冰川雪地之中。探测暗物质的方法分为三类。
探测暗物质的三种方法：直接探测、间接探测和对撞机探测。（图片来源： HAP/A.Chantelauze）
直接探测：寻找暗物质粒子与原子核碰撞产生的信号。在宇宙中存在着大量的暗物质，每秒钟都可能有上亿个暗物质粒子穿过我们的身体，而我们却毫无察觉。科学家希望这些暗物质粒子能够意外的撞上探测器中的原子核，从而发出可观测的信号。为了避免受到其它信号的干扰（比如宇宙射线），这些探测器通常都深埋地底下。世界上有许多这样的探测器，比如LUX和四川锦屏PandaX实验，它们的目标是寻找WIMP的踪迹。遗憾的是，今年给出的结果依然是零结果，唯一的结果就是给出了WIMP暗物质和核子散射截面的限制。
间接探测：寻找暗物质粒子湮灭的信号。理论上，暗物质粒子湮灭后，会产生中微子、伽玛射线或反物质。如果科学家能够在暗物质密度高的区域（比如银河系中心）探测到过量的伽玛射线，或者来源不明的高能反物质粒子，它们就有可能来源于暗物质粒子间的湮灭，从而提供间接的证据。阿尔法磁谱仪实验、费米伽玛射线卫星实验和中国悟空卫星都是为了寻找暗物质湮灭的信号。
对撞机探测：在对撞机机里进行粒子碰撞实验，主动创造暗物质粒子。高能粒子对撞时将可能有很小的几率产生一对暗物质粒子。由于暗物质粒子和普通物质相互作用很弱，无法被周边的探测器记录到。因此，如果在某次对撞中有暗物质粒子产生，我们会发现有一部分能量不翼而飞。欧洲核子中心的大型强子对撞机（LHC）一直在寻找着暗物质，但是经过升级后的LHC在今年收集更多数据后依然没有看到任何疑似信号。
【挑战与竞争】
虽然暗物质在解释宇宙中的许多现象都非常成功，但几十年来，科学家对暗物质的探测一无所获。这使另一部分科学家感到兴奋。因为他们认为暗物质根本不存在，而是现有的引力理论需要得到修正。
1981年，Moti Milgrom就提出了“修正牛顿动力学（MOND）”。在这个模型中，一颗恒星的径向加速度跟牛顿和广义相对论预言的有一点点偏离。这个区别在太阳系内几乎可以被忽略，而在星系的尺度下，这个区别则会被扩大。Milgrom发现，只要将加速度稍微改变一点点，就可以解释星系的自转曲线。
虽然MOND在解释星系的自转曲线方面很成功，但它无法解释其它的效应，比如大尺度的星系团以及对撞星系的物质分布。这也许是因为MOND本身就不是一个完整的理论，它只是完整理论中的一部分，解释了其中一个现象。的确，这样的想法有很多追随者，现在有很多人在研究MOND的扩展理论来解释这些观测。这其中包括贝肯斯坦提出的张量-向量-标量引力（TeVeS），莫菲特提出的修正引力（MoG）和其它，但没有一个引力理论脱颖而出。
直到今年，暗物质理论似乎遇到了前所未有的挑战，MOND则东山再起。不久前Stacy McGaugh带领的团队分析了153个不同类型的星系，发现了一个新的宇宙规律，称为“径向加速度关系”。（详见《新的宇宙自然规律，暗物质遭遇挑战》）他们的结果巩固了MOND的地位。而不久后，暗物质再次遭到攻击，Margot Brouwer和她的同事通过星系的引力透镜效应验证了Verlinde的新的引力理论，而不需要暗物质的存在（详见《新的引力理论通过第一道检验》）。但是，要把暗物质打入死牢，新的引力理论则需要做的更多。
值得一提的是，薇拉·鲁宾也是支持MOND的一员。她说道：“就我个人而言，我认为在大尺度下牛顿的引力定律应该得到修正，这比宇宙中充满了未知的新粒子要更加有吸引力。”
薇拉·鲁宾的观测结果是非凡的，是她确凿的告诉我们宇宙中要么存在大量的暗物质，要么是引力理论需要得到修正，无论是哪一个都将产生革命性的影响。可惜的是，她一直没能获得诺贝尔物理学奖。有一个简单的原因或许是性别歧视，在历史上只有两位女性获得了诺贝尔物理学奖，一个是居里夫人（1903年），一个是玛丽亚·格佩特-梅耶（1963年）。能够想到的还有两位应该获奖的女性科学家是发现脉冲星的约瑟琳·贝尔·伯奈尔和验证了宇称不守恒的吴健雄。虽然没有获得诺贝尔奖，但她们都是无冕之王。
薇拉·鲁宾的成就不仅限于学术上，更因为她为女性在科学社区争取的权益。薇拉·鲁宾是知名女子大学瓦萨尔学院1948年度唯一一位主修天文学的毕业生。当她想申请普林斯顿大学天文学研究生学位时，被无情地告知天文学学科不收女学生（这项政策到1975年才被废除）。因此她更加能够体会女性在科学中需要得到更多的机会，在她的职业生涯中，她总是鼓励并帮助年轻女性加入天文学领域并研究宇宙。在1981年的时候，她成为了第二位被美国国家科学院承认的女性天文学家，并获得一枚国家科学奖章。
2016年12月25日，薇拉·鲁宾永远的离开我们。但是我相信正如她所期待的，她的数据将会一直被引用，而我们也将永远记住她的名字。
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