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尋找暗物質盤

你不知道黑暗生物有多美,而且你也許永遠都不會知道。

最近,我參加了一個關於言論自由的開放討論,參加討論的人有律師、學者、作家以及人權工作者。大家都認同這個問題的重要性,但卻無法對人權的真正內涵達成最終一致。或者說,大家沒有對如何平衡言論自由以及人類其他權利達成最終一致。在什麼時候,言論自由的潛在危害會超過它能帶來的好處?到底是否應該花錢促使通過某個特定的法律,或限制候選人的數量?一位律師解釋了美國最高法院是如何基於言論自由權去給某些公民案件進行宣判的,以及在這個過程中是如何花錢的。在這個過程中,公司對政治的貢獻是不加限制的,但參與討論的其他人則比較關心,如果不對公司的付出加以限制,那麼個人的聲音將被掩蓋。況且,言論自由這一概念是針對個人的,而不是針對企業。畢竟,無論是錢還是企業都不能自由地發聲,而是企業裡的人在說話。

但美國最高法院的規定就是如此,其結果是,大量金錢被花費到了政治上。讓我們看看個人和企業通過花錢來改變公眾看法的不同方式。

金融機構可能更專注於在城市或城鎮的附近做廣告。在這些地方,他們可以輕易改變人們對某些事物的看法,並影響最後的投票結果。或者捐贈者會把廣告的範圍做得更廣泛,自己掏錢把他們的主張覆蓋在更大範圍,從而產生一些相對寬泛的觀念,但其效果不是很清楚。兩種不同的策略放在一起產生的效果,比單獨做任何上述單一廣告行為的效果更強。在目標區域內,受影響的人數應該更多,因為在較小、人口稠密的地區,廣告密度更大。

物理學也有類似的情況。一個薄而緻密的物質盤對恆星的運動影響,要比厚的、瀰散的物質盤所造成的影響更加劇烈。就像局域廣告投放得越多,廣告效果越明顯一樣,一個薄而緻密的盤結構,對銀河系平面上飛進飛出的恆星的速度及其位置的影響更明顯。

銀河系是由重子物質和暗物質組成的盤結構,處在星系盤平面內或者外部的恆星的運動,會同時受到這兩種盤結構的影響。當你從星系盤的緻密區域移動到稍微低密度的區域時,這種影響的變化形式也從開始的迅速變化,轉化成後來的平緩變化,這種轉化形式就像結合局部廣告和全局廣告對選民的影響。如果一個薄的暗物質盤鑲嵌到厚的普通物質盤當中,暗物質的吸引力就會和比較瀰散的普通物質盤的吸引力混合到一起,從而產生一個特性鮮明,並可測量的作用力作用到恆星上。這個作用力隨著恆星到銀河系中盤的距離的不同而不同。

我們生活在一個數據充裕的時代,並且我們確實也不想忽略任何可能的觀測對象,尤其是在尋找那些匪夷所思又很難找到的對象時,例如暗物質盤。在這一章,我會解釋,如何通過研究銀河系星系盤引力對恆星運動的影響,來確定或者排除暗物質盤的存在。但在此之前,我們先講講其他關於暗物質盤的可能性,並討論一下應用目前的暗物質探測方法找到暗物質盤的可能性。在此之後,我還會介紹幾個暗物質盤在天文學上的有趣預言。

多樣的暗物質

在開始研究部分相互作用暗物質時,我很驚奇地發現,竟然沒有人考慮過「只有普通物質是有多種粒子和相互作用的」這一假設的不合理性。儘管有些物理學家已經嘗試過一些模型,例如鏡像暗物質(mirror dark matter,指暗物質在模仿普通物質的一切),但類似這種模型太過特殊和奇異,因為這種模型給出的預言很難和我們已知的一切相吻合。

有一小部分物理學家曾研究過更加普遍的相互作用暗物質模型。但就連他們也假設,所有暗物質都是相同的粒子,因此參與唯一的作用力。沒有人提出過下面這個非常簡單的假設,即儘管大部分暗物質粒子不發生相互作用,但一小部分暗物質粒子卻可以發生相互作用。

這裡有一個比較明顯的潛在原因。大多數人希望出現一個新的暗物質形式能與大部分觀測現象相關,就算這種新的暗物質只佔暗物質總量的一小部分。但在沒有觀測到占主要組分的暗物質之前,強調小部分暗物質的組分好像有點太早了。

這個邏輯的錯誤之處在於:普通物質只佔暗物質的20%,但卻幾乎是我們所關注的一切。通過更強的非引力相互作用的物質,要比那些具有更大組分但只參與微弱相互作用的物質更有意思,並且更有影響力。

這一事實對普通物質來說是對的。普通物質的影響要遠超其在宇宙中的組分,因為它們形成的物質盤中,形成了恆星、行星,甚至形成了地球和生命。一個帶電的暗物質組分(不用帶太多的電)可以形成與銀河系的可見星系盤類似的暗物質盤。這個盤甚至可以碎裂成像恆星一樣的天體。這個新的盤狀結構理論上是可觀測的,甚至可能會比占主導的傳統暗物質組分所形成的巨大球狀暗物質暈,更容易被證明。

一旦你開始沿著這些線索思考,可能性會迅速變得多起來。畢竟,電磁場是標準模型粒子參與的幾種非引力相互作用之一。除了這個能把電子束縛在原子核附近的力之外,其他兩種相互作用是弱相互作用和強相互作用。也許可能還有其他相互作用存在於普通物質的世界中,但它們在人類所能達到的能量範圍內極端微弱,至今還沒有任何人發現一點跡象。但即使根據現有的三種非引力相互作用力,我們也可以猜想,相互作用的暗物質也許不止參與暗電磁相互作用。

也許除了暗電磁力外,暗強、弱相互作用也會作用在暗物質粒子上。在這個更複雜的領域裡,暗物質恆星也許會形成,暗物質恆星裡的核燃燒會創造出的結構和我以前描述的暗物質模型所產生的結構相比,更類似於普通物質。在這種情況下,暗物質盤由暗物質恆星組成,而暗物質恆星周圍又圍繞著暗物質行星,這些行星都是由暗物質原子組成的。這類能形成盤的暗物質模型可能具有和普通物質一樣的複雜性。

部分相互作用暗物質模型一定可以為新的猜想提供肥沃的土壤,從而鼓勵我們去思考我們不曾思考過的可能性。科幻作家和電影工作者也可以尋找到一個新的創作領域,新的相互作用以及其產生的黑暗領域還是很吸引人的。他們甚至可以繪製一個和我們一樣的黑暗生命。這個構想下,人類與外星人不再是簡單地相互攻擊或者合作,因為暗物質生物的軍隊已經穿過了屏幕,並已經統治了一切。

這個故事不會因太過天馬行空而無人觀看。問題是攝影師如何為黑暗生命成像:顯然我們看不到黑暗生命,同時黑暗生命也看不到我們。就算黑暗生命就在那裡(也許他們早已在那裡了),我們也無從得知。你不知道黑暗生物有多美,而且你也許永遠都不會知道。

儘管上面這些對黑暗生物的猜測充滿娛樂性,但想觀測到這種黑暗生物,或者說通過更直接的方法確定黑暗生命的存在,是十分困難的。尋找與人類一樣同樣由重子物質組成的智慧生命,已經頗具挑戰性了,儘管太陽系外行星的搜尋工作正在艱難地進行著。如果黑暗生命存在的話,他們存在的證據要比遙遠外星上存在普通生命的證據,更難以找到。

我們還沒有直接探測到來自單個星體發射出來的引力波。就算是天文學家們通過其他方法尋找到了黑洞和中子星,卻仍然沒有引力波的相關觀測[40]。我們探測到,黑暗生命存在的可能幾乎為零,不管他們離我們有多近。

理想一點兒說,我們希望通過某種途徑聯繫這片新區域,或者讓他們通過某種特定的方法回應我們。但如果這些生命不能感知人類的那些作用力,那麼交流將不會發生。就算我們都參與引力相互作用,小尺度物體或者生命所產生的引力肯定是低得無法探測的。只有非常大的黑暗天體,比如貫穿於銀河系平面的暗物質盤結構,才能產生可觀測的結果。

黑暗天體和黑暗生命可能離我們很近,但如果它們的淨質量不是非常大,我們就無法確定它們的存在。即便用最先進的技術,或者那些我們還在想像的技術,也只能在某個非常特定的可能性範圍內加以驗證。「影子生物」(Shadow life)不一定能產生我們可以注意到的可觀測結果,它們給了我們一個誘人的可能性,卻無法被我們觀測到。

坦白說,黑暗生命是一個高級現象。科幻作家可以毫無問題地創造出來,但是宇宙還有很多障礙需要逾越。窮盡所有化學的可能性,到底有多少種組合能夠維持生命,我們還不清楚,即使對已知的生命,我們仍然不知道哪種環境是必要條件。儘管黑暗生命的假設很吸引人,而檢驗黑暗生命並不是唯一的難點。宇宙要如何產生黑暗生命才是真的困難。因此我把這個可能性放在一邊(至少目前得這樣做),而只專注於對銀河系中大質量緻密盤的尋找。我個人認為,後者比前者更有希望。

來自暗物質盤的信號

為了系統工作和最少的假設,我同范吉吉、安德雷·卡茨、馬修·裡斯四人從我們能想到的最簡單的雙盤暗物質模型開始研究。與普通的極弱相互作用的暗物質模型相比,我們模型中的暗物質粒子還帶有黑暗電荷,並且相互之間會有類似於電磁力的相互作用,這一黑暗電磁力是通過暗物質粒子所帶的黑暗電核而產生的。我們的模型還包括一種相對較重的暗物質粒子,與質子相似,並帶有正電荷,另一種粒子則帶有負電荷,與電子相似。

研究一個還未列入標準物理準則世界的新想法和上坡作戰一樣困難。對於一些物理學家和天文學家來說,雙盤暗物質模型有點誇張。甚至對於粒子物理學家來說,儘管他們的工作就是用大膽的想法來揭開物理學中最基本的問題,例如物質的種類,但是我的大部分同事(一般都是科學家)仍然比較保守。這一現象也並非完全不合理:如果一個觀測有個保守的解釋,那麼這個解釋差不多總是對的。革命性的新嘗試只有在它們能夠解釋舊理論無法解釋的現象時,才會被別人接受。只有很少的例子需要新理論來解釋。

即使科學界認同,現在的物理學需要新的想法和模型,但如果新想法超出幾種公認的猜想準則,那麼這種猜想一般會遇到阻撓。例如,超對稱理論和弱相互作用大質量粒子模型經常被粒子物理學家認為是能馬上建成的理論,儘管證明它們存在的實驗證據還不存在。面對越來越多的數據限制,這個領域的人開始懷疑舊理論,並開始考慮新的可能性:那些超出已經確定的研究準則的可能性。

一旦新的概念得到認可,人們會竭盡所能地研究這個概念的所有細節,檢驗參數空間的所有可能,甚至對那些還沒有被證實為正確的假說也不會放過。在一個想法到達這個層次之前,會有很多批評聲音,甚至是帶有偏見的批評。但有一些粒子物理學家在面對很多不確定性時,更傾向於保持一種開放的態度,我和我的合作者也是如此。我們也許會因為某個理論更優雅簡潔而傾向於它,但在數據完全確定之前,我們不會斷言什麼就是正確的。

我們四人很快意識到,相互作用的暗物質的行為和無相互作用暗物質的行為非常不同,人們應該可以通過觀測區分兩種模型。但考慮到雙盤暗物質的最初提出動機,我還是傾向於利用保守的探測方法來探測這一新型暗物質。例如,那個第一次刺激我們研究的暗物質間接探測信號,也許這正是傳統暗物質無法解決,而雙盤暗物質模型可以解決的領域。所以我決定從暗物質間接探測信號出發開始這項研究,例如來自費米望遠鏡的光子信號。

一個薄的暗物質盤是緻密的,也就是說,暗物質粒子在此區域的匯聚度很高。與傳統冷暗物質暈的粒子分佈相比,在這個緻密的盤裡,更多暗物質粒子會相遇,因此更多的湮滅也將產生。這並不說明雙盤暗物質模型都是被如此觀測到的。我們研究的起因便來自雙盤暗物質模型可以產生間接的光子信號,而這一過程需要我前面所提到的帶電暗物質。由於類似於費米衛星觀測到的信號需要暗物質能變成光子——光子是普通物質的一種形式,且只有當一個粒子既有常規電磁力又有黑暗電磁力時,這種可觀測的相互作用才會出現。這就像一個人既看福克斯新聞同時又聽全國廣播電台,或者同時登錄在Facebook和谷歌上一樣。如果一個粒子同時具有常規電荷和黑暗電荷,那麼暗物質湮滅時所產生的間接粒子就會釋放出光子,而這種間接粒子同時連接著普通領域與黑暗領域。這樣,費米衛星觀測到的光子信號就可能是雙盤暗物質模型的一個預言。當然這並不是一個普遍性的預言。

這個緻密的暗物質盤確實意味著,如果可觀測的相互作用存在,它們發生的頻率要比我們想像的快。一個更好的消息是,如果雙盤暗物質模型能夠產生某種可觀測的間接信號,例如光子、正電子或者反質子,那麼這個結果會與其他暗物質模型區分開來。在常規暗物質模型給出的間接可探測信號的預言中,銀河系中心的信號是最強的,因為那裡是暗物質密度最高的地方。雙盤暗物質模型預言的信號強度也是,越靠近銀河系中心越強,但來自整個暗物質盤的信號應該和來自銀河系中心的信號一樣強,因為整個平面都是高密度區域。這種貫穿整個星系平面的可見湮滅觀測,將是雙盤暗物質模型的最大特點。

雙盤暗物質模型直接探測的可能性也非常有意思,畢竟直接探測暗物質是很多暗物質探測器的終極目標。還記得暗物質直接探測依賴於暗物質和普通物質的微小相互作用麼?探測器是通過測量微小的反衝能量來尋找暗物質的。和間接探測一樣,任何雙盤暗物質模型的直接探測信號也依賴於對其粒子的樂觀而不尋常的假設:暗物質粒子與普通物質存在相互作用,這個相互作用既可以小到與現有的觀測相吻合,又可以高到產生可觀測信號。

直接觀測信號也依賴暗物質的局部密度,因為畢竟暗物質越多越好。暗物質盤可能在或不在普通物質的周圍,這取決於暗物質盤的厚度,但如果存在暗物質盤,那麼它的密度會遠遠高於暗物質暈中的暗物質密度。

另一個眾所周知的事情是,暗物質的探測概率與暗物質粒子的質量相關,決定了暗物質粒子的反衝能是否大到可以被儀器記錄下來,如果能達到,這個能量就能被記錄下來。信號的可探測性和另一個常被忽略的暗物質性質息息相關,即粒子的速度,它與動能直接相關,所以與反衝能也直接相關。速度快的暗物質與比較慢的暗物質相比,更容易被觀測到,因為碰撞時產生的能量更高。

雙盤暗物質在星系盤內外的速度要比普通物質低很多,因為它們已經冷卻了。進一步講,暗物質在銀河系中的軌道與太陽系的軌道風格類似,所以和地球的相對速度也比較小。這種相對的低速度意味著,即使有相互作用,雙盤暗物質也只會在直接探測儀器中留下極小的能量,這個能量幾乎可以肯定會低於探測器的探測下限,因此也就不會被探測到。沒有更敏感的儀器或者模型中新的成分出現,傳統雙盤暗物質的相互作用不會被現有的儀器觀測到。

更低探測極限的試驗已經開始建造,並且對模型的修改也允許現有的儀器得到有效的觀測。有意思的是,如果這個信號被觀測到,那它將會非常鮮明,以可以確認一個雙盤暗物質的起源。因為這種低速暗物質會產生一個比其他之前提過的暗物質候選者都要集中的能量信號。

關於雙盤暗物質模型(或其他帶電的可形成原子的暗物質)更有意思的檢測,是來自宇宙微波背景輻射的細緻研究。一些天文學家和物理學家在宇宙微波背景輻射和星系分佈數據中尋找黑暗原子以及雙盤暗物質粒子的證據,這是個有趣的新方法。

需要記住,來自普通物質的輻射會抹掉帶電物質中的密度變化,就像沙灘上的風會吹平海浪留下的痕跡一樣,而暗物質則主導著之後的進一步演化。這種特別的效應會在宇宙微波背景輻射上留下印記,這個印記可以用來區分暗物質和普通物質。當帶電物質組成中性物質的時候,普通物質也可以在宇宙微波背景輻射上留下印記,這和沙灘上海浪拍打過後,在海浪的最遠端會留下一個非常特別的印記一樣。

如果暗物質或者部分暗物質,與黑暗輻射相作用,那就像普通物質改變宇宙微波背景輻射一樣。因為雙盤暗物質模型中包含了一類重的暗物質粒子和一類輕的暗物質粒子,而且它們帶有相反的電荷。這很像質子和電子,這兩類暗物質粒子還有可能組成黑暗原子,這個過程也與普通物質非常相像。

對宇宙微波背景輻射的細緻研究還可以給出我們所提出的有相互作用的暗物質的比例。如果暗物質和普通物質的溫度還算相似,那說明暗物質與普通物質在早期已經進行了充分的相互作用,那麼相互作用暗物質占暗物質總的百分比會低於5%,這大約是普通物質的25%。幸運的是,這個值也很有意思,用後面介紹的方法我們可以觀測到它。而且這個值依然在能解釋週期性彗星的範圍內,我將在下一章給出詳細的論述。

測量星系的形狀

上文描述的研究的有趣之處是,它不僅介紹了宇宙微波背景輻射的能量,還說明了如今宇宙學中大數據的重要性,而且天文學家們已經開始著手處理這些數據了。我們現在有了假設的模型,加上今天的技術發展以及數值計算能力,尋找非傳統暗物質的影響變得比以前都更有可能性——儘管這些影響在觀測到的結構分佈中反映得非常少。我和我的合作者們意識到,最有趣、最有說服力的信號也許並不是來自現有的普通暗物質探測器所專注的領域,暗物質盤的可觀測證據更有可能來自盤本身的引力。在大數據時代,似乎只要在現有數據中尋找可辨別的暗物質特性就足夠了。

雙盤暗物質模型最明顯也最具決定性的理論預言是,在銀河系的中央盤內還存在一個薄的暗物質盤。如果暗物質粒子比質子重,那麼這個盤會比恆星和氣體的星系盤更窄,從而使得銀河系的引力勢與傳統暗物質模型預言的結果完全不同。就像有目標的廣告,暗物質盤會在星系的普通物質組分附近加上自身的引力勢,這個影響會在星系盤附近達到最大。因為在星系盤附近,暗物質的密度非常高。由於暗物質分佈導致的引力分佈的改變會影響恆星的運動,當足夠多的恆星位置和速度被非常精確地測量後,其結果可以證實或證偽暗物質盤,至少對極高密度的模型作出分辨。

一個最不可思議的進展發生在2013年的夏天。當時,我和范吉吉、安德雷、馬修剛剛開始思考暗物質盤模型。與此同時,對銀河系內恆星的相關觀測也正在籌備當中。在2013年的秋天(在南美洲的法屬圭亞那發射中心,此時也正是春天,這點差異是我一個澳洲同事指出來的)計劃發射一顆衛星,它可以用於測量這一辨識性很高的引力影響。

這個衛星的名字叫作蓋亞(GAIA),主要用於高效率地測量星系的形狀。5年之內,我們就會知道結果。在我們準備第一篇論文的時候,這顆衛星的數據準備工作已經順利開展起來,但如果他們在準備的過程中詢問我們的建議,我們也許會提出讓蓋亞觀測暗物質盤等有關現象。

事實上,儘管沒有準確的模型和基本的方法,天文學家們已經討論過重構銀河系的質量分佈是蓋亞的主要任務之一,不管是什麼形式的物質,也不管它們位於銀河系的何處。儘管衛星的發射時間比原計劃晚了幾個月,最終還是在那年12月發射成功,這個時間也只比我們完成論文晚了幾個月。這一切看起來都是那麼偶然。

粒子物理學家不會經常遇到類似的驚喜。當某實驗可行時,我們就會設法調節它,使它能用來測試我們的新理論。工作於歐洲核子研究中心大型強子對撞機的實驗物理學家們就研究了類似的科學申請,例如我和拉曼·桑卓姆(Raman Sundrum)以及其他人曾設計實驗解釋希格斯玻色子的質量。儘管大型強子對撞機最初是為了探測其他模型而設計的,但當拉曼和我在建立一個額外捲曲維度空間時,完全瞭解它的潛力。

另一方面,當一個想法特別令人感興趣且可以被檢驗時,實驗物理學家們就會對此作出反應,設計一個相對小尺度的實驗來排除或者證實這個猜想。比如,物理學家們曾經設計過一個實驗用來更精確地測量引力,從而研究空間大尺度的高維性質。

不過,一個實驗儀器一開始的目的就是用於研究一個完全不相關的想法的情況卻很少見。然而它卻確實發生了。蓋亞衛星擁有一個空間觀測站,用於觀測銀河系中數十億顆恆星的位置和速度,目的就是精確地重構星系的三維結構。這個觀測將直接應用於重構星系的三維引力勢,從而告訴我們銀河系的三維質量分佈。如果這個質量分佈能夠證明一個暗物質盤的存在,那麼盤的厚度以及密度分佈可以告訴我們新型暗物質粒子的質量,以及可相互作用暗物質占暗物質總量的百分比。

研究上述課題的方法是基於天文學家簡·奧爾特的一個想法,他因為發現奧爾特雲而被人們熟知。奧爾特意識到:恆星進出星系盤的速度依賴於星系盤的形狀以及密度分佈。因為恆星的運動是盤引力勢的結果。測量恆星的速度以及恆星的位置震盪,可以直接限制盤中物質的空間分佈。

這正是我們想要知道的信息,它可以檢驗或者證實我們關於暗物質盤的假設。暗物質盤的引力會影響恆星的運動,因為恆星的運動被星系的引力勢所主導。準確瞭解如此多恆星的位置和速度,對重構星系引力勢並指出星系中是否有盤結構,有著重要的意義。應用盤的引力勢的細節信息,以及盤中物質的空間分佈,我們希望確定更多盤的性質以及形成它的可相互作用暗物質的性質。

我們沒有必要等待蓋亞的數據來檢驗這個方法,因為我們已經掌握了一些有用數據。這些數據來自依巴谷(Hipparcos)衛星,它於1989年由歐洲航天局發射,並且一直服役到1993年。依巴谷是第一個用於測量恆星位置和信息的太空望遠鏡,但它的測量精度和恆星數量比蓋亞要低。儘管這些結果不如蓋亞的最終結果完備,但是已經可以用於研究暗物質盤結構的相關課題了。

這個方法對於粒子物理學家來說可能比較新穎,但天體物理學家們已經對其非常熟悉了。事實上,應用這個方法,有些人甚至已經得到暗物質盤不存在的結論。這些有關暗物質盤的否定迷惑了很多人,其中就包括我們論文的一個審稿人。第一反應會告訴你,至少在當前的數據情況下,這個結果是不可能的。不管測量有多麼準確,密度都可以足夠低,以至於逃離所有現有觀測的限制。但其實天體物理學家真正想說的是,不需要這樣一個暗物質盤。如果密度場的不確定性完全來自已知的氣體和恆星,那麼已經測到的引力勢用已知的物質就可以解釋。

但有時正確的問題是,還存在其他可能,以及相應的其他可行理論。打破這種簡並性的唯一途徑就是,通過證實或證偽特定的假設給出的特定結果,來排除或確認這些模型的可能性。我和合作者問了一些天文學家另外一個問題,我們沒有問如何證明盤的存在,而是問到底多麼顯著的盤結構會和現有的所有觀測保持自洽。我們還問了另一個問題:引入暗物質盤結構是否會使模型和觀測結果吻合得更好。

這種不同的思考方式反映了粒子物理學家(特別是建模者)和許多天文學家在科研思維方式上的不同。客觀地講,天體物理學家確實教會了我們很多。我們瞭解到他們如何逼近問題,以及現在都有哪些數據,他們的方法也非常有用。但從不同的角度研究問題,會給人們帶來新的啟發,並呈現出新的可能性。不管暗物質盤是否存在,我們只能通過假設它們的行為,和觀測進行對比,然後看看這個假設是否合理。其實到最後,我們是共贏的。

我們想知道,觀測數據是否允許暗物質盤的存在,或者是否更傾向於支持一個暗物質盤的存在,而對是否可以不用加入暗物質盤就與已有數據擬合得很好,並不感興趣。每一種被用於計算銀盤引力勢的物質都被研究得非常清楚了,觀測中不確定性的存在,為新物質提供了存在的空間。我為我的學生埃裡克·克萊默(Eric Kramer)設計了一個課題。他當時正在研究依巴谷衛星的數據,以及星系盤中氣體的密度分佈。我們發現,天體物理學家在做數據處理時的很多假設都需要重新考慮。儘管對依巴谷數據的粗處理得到的結論並不支持暗物質盤,但最新一次更仔細的分析表明,這些數據不足以宣判暗物質盤的死刑。

依巴谷衛星的數據本身就有一些不確定性,對銀河系內可見物質比較差的測量是不確定性的重要來源。不確定性越大的地方,暗物質盤存在的可能性就越大。最重要的是,銀河系內所有物質都會感受其他物質的引力,只有在一開始的時候把所有物質(包括暗物質盤)都計算在內,人們才可能得出真正的限制。這是一個模型存在的價值。它為人們評估觀測結果提供了明確的目標和確定的計算策略。

經過認真分析,我們發現了暗物質盤存在的可能性,而且可能性還很大。但在更有說服力的數據釋放之前,我們無法簡單地證明雙盤暗物質模型就是對的,還是說簡單的標準暗物質模型就可以了。

這讓我想到一個問題:我們到底希望暗物質盤的密度為多少?也就是說,多強的限制會比較有趣?從多方面考慮,任何數值都是值得期盼的。無論暗物質盤的密度有多低,找到一個暗物質盤都會根本地改變我們對宇宙的認識。另一方面,我們還要考慮暗物質盤對週期性彗星撞擊的誘導作用。簡單地講,我們所需要的引發彗星撞擊的數值與當前數據是不衝突的。

此外,部分相互作用暗物質也可以幫助我們解決一些傳統暗物質領域裡的著名問題,雖然這並不是我們的最初目的。例如,卡內基·梅隆大學的天體物理學家馬修·沃克(Matthew Walker)教授曾指出,雙盤暗物質模型有可能幫助我們解決仙女星系內衛星星系數目的問題(這一問題我在第18章提過了)。如果宇宙中只有普通物質或者只有傳統暗物質,這個問題是無法被解釋的。哈佛大學的博士後雅各布·肖爾茨(Jakub Scholtz)和我的研究結果表明,自相互作用的暗物質模型也許是暗物質主導的矮星系傾向於分佈在星系盤平面這一現象的唯一可行解釋。我和雅各布·肖爾茨、馬修·裡斯也研究了雙盤暗物質模型對原初黑洞的影響,這些原初黑洞的質量要比標準模型的預言高出很多。

費米衛星的伽馬射線信號促使我們開始了對非標準暗物質模型的研究。現在看起來,這像是一個幌子,因為這個信號隨著時間慢慢變暗了。不過,暗物質盤模型卻在這一過程中被創造並完善起來。它現在已經有廣泛的預言,可以有其他方法觀測雙盤暗物質模型。這個模型也許能在星系形成和動力學中扮演非常有趣的角色,我們已經開始了這方面的研究。

在漫長的宇宙和太陽系探索之旅後,讓我們把旅程中的眾多想法匯總起來。接下來要討論的是,暗物質將如何影響我們的家園,如何影響地球周圍的恆星運動,甚至如何影響太陽系外圍天體的穩定性。