暗物质是天文学最大的谜团之一。 暗物质很难研究，因为它不会发射、吸收或反射光线。 因此香港大学研究生Alfred Amruth的团队运用重力透镜现象来研究暗物质的本质。 在最新发表的研究中显示，暗物质可能并不是由大质量弱交互作用粒子（WIMPs）所组成，而是由轴子（Axion）组成的机会较高。 如果这个假设正确，它不仅将揭示宇宙中85%的物质由何而成，还可能引发超出标准模型的新物理。 该研究发表在《自然天文学》期刊上。
在重力的影响下，一个星系和它的大型暗物质扭曲了它周围的时空。 来自更远源的光线遵循这个曲率，从不同的路径绕过星系，仿佛穿过一个透镜一般。 当这样的透镜和远处光源紧密对齐时，天文学家会看到同一背景物体的多个影像。 这些俗称「爱因斯坦环」影像的位置和亮度取决于透镜中暗物质的分布，提供了对这种神秘物质的有力探究。
重力透镜作用下远方的星系分散为多个影像
图说：重力透镜作用下远方的星系分散为多个影像，俗称为爱因斯坦环。 本研究验证的HS 0810+2554就是右上角像是米奇图案的重力透镜星系。 图片来源：NASA
在过去的二十年中，天体物理学家一直致力于正确地重现这些多重影像的位置和亮度，若假设暗物质由大质量弱交互作用粒子（WIMPs）组成，那么随着你从中心向外移动，星系的密度应该平滑下降。 但是这与大型天文望远镜观察重力透镜影像中实际推断出的不符。
Amruth的团队转而寻找另一个暗物质候选者：轴子（Axion）。 不同于WIMPs，轴子是一种超轻粒子，最初是在20世纪70年代提出，理论物质学家使用轴子来解决粒子物理学中关于强力的问题。 量子理论表明，轴子在太空中会以波的形式传播，而不是粒子的形式，这导致波之间的干涉产生随机密度波动。 这些随机波动会使得一个星系周围的暗物质分布变得凸凹不平。 而假设暗物质由轴子组成的话，Amruth和同事们能够拟合出四重透镜系统HS 0810+2554的观测位置和亮度。 这是一个前景椭圆星系将来自背景星系的光分成四个影像。
值得一提的是，无论是WIMPs还是轴子都尚未直接被检测到。 Amruth团队的研究成员之一George Smoot表示，未来的工作将通过详细的研究去巩固Amruth的研究结论，并预期韦伯太空望远镜能发现更多的重力透镜系统，从而对这个想法进行更严格的测试。 如果未来的研究巩固了Amruth研究的结论，将会是一个令人惊叹的发现，对天体物理学以及高能基本粒子物理学等领域都会产生重大影响。 （编译/谢翔宇）
资料来源：Sky&Telescope
原始论文：Nature Astronomy
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