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尖端研究突破 暗物質/黑洞新解 臺大天文物理團隊論文榮登《自然物理》期刊封面

臺大天文物理團隊薛熙于博士、闕志鴻論文榮登《自然物理》期刊封面。

近代天文物理觀測的重大謎團,是無法解釋宇宙中約85%的暗物質 (dark matter),究竟為何物?由全球八千位物理學家共同參與的位於日內瓦近郊的「大強子對撞機」,自2008年運轉以來,至今也尚未有新物理的發現。

由臺大物理系博士薛熙于、臺大天文物理所闕志鴻教授以及西班牙巴斯克大學的布羅荷斯特教授共同於2014年7月1日出刊的《自然物理》(Nature Physics) 雜誌發表的論文〈暗物質波的量子干涉形成宇宙結構〉 (“Cosmic Structure as the Quantum Interference of a Coherent Dark Wave”),首度打破傳統上視暗物質為「重」粒子的觀點;他們提出相反的觀點,認為暗物質其實是「極輕型粒子」,但密度極大,並據此解釋星系核心超重黑洞的形成。

此一研究發現具重大突破性成就,獲選為該雜誌當期封面。

闕志鴻教授指出,目前粒子物理學家相信傳統暗物質是「重」粒子,有可能在大強子對撞機中找到。但目前讓大家失望的是,大強子對撞機並沒有新的發現,所找到的都是粒子標準模型預測的產物,包括2013年發現的希格斯粒子。其他較小型的重粒子暗物質偵測實驗,如美國礦坑裡的LUX實驗,2014年初也報告了令人失望的結果。再者,傳統的「重粒子」暗物質觀點近年來飽受天文界質疑,因為其特性與矮星系 (dwarf galaxies) 的觀測不符,學界因此質疑,科學家是否應有新的思維。

近年來物理學家也探討「極輕」暗物質的可能性,但都沒有具體的結果能跟觀測比較。這篇論文是第一個對極輕暗物質提出定量的預測,能與觀測比較並得到滿意的結果。

極輕粒子波長達1000光年

闕教授進一步說明,「極輕」暗物質的特性跟傳統暗物質為「重」粒子特性剛好相反,它常由「波動」的形式來表現它的存在,是一種「量子波」,波長非常長,約100 到1000 光年,比我們耳熟能詳的半導體裡的電子波長(約為1奈米)長得多,是一種「天文尺度」量子的表現。

一般而言,量子波都是出現在微觀的尺度,然而「極輕型」粒子暗物質(作者謂之「Ψ暗物質」) 的量子效應不但是巨觀的,甚至可達矮星系尺度 (約一千光年)。這是因為粒子的波長與粒子的質量成反比。藉由矮星系內部數千顆恆星的觀測數據,這篇論文決定出Ψ暗物質粒子的質量,約為電子的10-28倍。

密度較液態水高100萬倍

研究者再說明,如此輕的粒子,總重量又要佔宇宙的85%,是如何做到的呢?這是因為其粒子「密度」必需非常高,在太陽系裡它的密度約為液態水密度的一百萬倍。此時Ψ暗物質處於一種特別的凝聚態,稱為玻色-愛因斯坦凝聚態 (Bose-Einstein Condensate)。整個太陽系浸泡在這種極度濃稠的液體中,但為何我們無法感受到濃稠的液體?這是因為我們跟它的交互作用極弱,因此若要直接偵測這種暗物質,就要用到與對撞機完全不同的概念。

量子力學的「粒子-波動二元」的意涵是,電子在大尺度表現粒子的行為,但在小尺度呈現波動的特性。有如20奈米的半導體相對於1奈米電子波長,電子表現出粒子的行為,所以傳統的半導體製程可以繼續沿用,但將來的5奈米製程,電子已經接近由古典粒子轉為波動,所以半導體需要有嶄新的製程。同樣的道理,矮星系的尺度約數百到一千光年,因此Ψ暗物質可呈現波動特性,但正常星系的大小為一百萬光年,遠大於Ψ暗物質數百光年的波長,因此這裡Ψ暗物質吻合粒子的描述,與傳統暗物質相同。有別於晦暗的矮星系非常難觀測,需要超大型望遠鏡,正常星系容易觀測且觀測數據多,這是為什麼在過去傳統暗物質沒被質疑的原因。

論文指出,即使在正常星系裡,可能呈現量子波動的地點在星系核心。這有更深層的理由。若將星系當作一個類似氫原子的量子束縛系統 (quantum bound system),它的基態就處於核心地帶。但這個基態又非常特別,是個非線性的球狀體,與原子不同,數學上稱之為孤立子 (soliton)。論文中的模擬計算發現,在距離每一個星系中心約數百光年內,均有一個穩定的孤立子。孤立子是具超高密度的物質波,在傳統的暗物質模型中不存在,為Ψ暗物質的獨特預測。並且作者發現孤立子的重量和星系的重量有特定關係

超重黑洞、孤立子與Ψ暗物質

令人玩味的是,過去三十年來天文觀測證據顯示,每一個星系核心均有一個超重黑洞,而黑洞重量與星系重量也有特定的關係。Ψ暗物質的超高密度孤立子與超重黑洞形成是否相關?

科學家相信超重黑洞為可見的物質所組成,並非暗物質構成。於是作者進一步強化這個關聯–孤立子的質量跟超重黑洞相當,均約太陽質量的 107-109 倍。孤立子是宇宙中最早成型的結構,星系後來形成,超重黑洞是最後形成; 並且孤立子的尺度為星系尺度的萬分之一,但又是超重黑洞大小的一萬倍。孤立子是否扮演中繼站的角色,提供一個中尺度的漏斗效應,將星系中心的可見物質灌注到中心餵食黑洞,並且當黑洞成長到跟孤立子相當時,此漏斗效應即終止?作者將以往科學家沒料到的兩個線索連結起來,架構出一幅逐漸清晰的圖像。是否能一石二鳥地解決近半世紀天文物理的兩個諾貝爾獎級的大謎題–宇宙暗物質與星系核心超重黑洞?這有待更深入的探究和時間考驗。

未來研究發展

Ψ暗物質具有的一些獨特性質,短期內可藉由更深入的天文觀測來驗證。目前臺大天文團隊正在訂定出這些現象的具體預測,諸如重力透鏡、宇宙早期的嬰兒星系、高紅移的氫譜線等,都是量子波動最有可能被觀測到的現象,而這些項目也是未來大型國際觀測的重點計畫。結果會是如何?論文的作者審慎樂觀,大家可以拭目以待。

全球獨步之超高速三維動態運算 新科博士艱辛研發成果亮麗

第一作者薛熙于博士指出,此一研究成果除了理論觀念上的突破外,另一項獨步全球的發現,是研發出一套獨特的超高速且超高解析度的「三維動態數值模擬運算」機,使天文電腦模擬的運算時間縮短近百倍,並將空間解析度成功提升20餘倍,才得以證明Ψ暗物質的空間分布與觀測到的矮星系結構吻合。

甫於2012年由闕志鴻教授指導並取得博士學位的薛熙于,已經成為這方面世界級的專家。目前薛博士繼續在闕老師和黃偉彥老師的共同指導下擔任研發替代役博士後研究員。

薛熙于博士在論文中負責整個電腦模擬程式的開發與結果分析。其博士論文專攻超高效能計算物理,於2010年成為世界上第一個成功將多張圖型顯示卡 (graphic processing units) 與自適性網格 (adaptive mesh refinement) 作高效率的結合,使天文電腦模擬的運算時間縮短近百倍。畢業後,更進一步把此技術應用到Ψ暗物質的研究,成功地將空間解析度提升20餘倍,才得以發現孤立子的存在。

研發過程無數次失敗,睡夢中常半夜驚醒

薛熙于博士表示,大家看到今天漂亮的模擬成果,但看不到的是,背後經歷過的無數次失敗。電腦模擬和作實驗其實很類似,所有的實驗環節層層相扣,一個都不能錯!那怕只是一個微小細節的疏忽,幾天或是幾個星期的模擬數據,就變成大家常常自嘲的”Garbage in, garbage out”。壓力之大,有時晚上作夢都是錯誤的程式碼,也常睡到一半驚醒,趕快衝到電腦前,確認模擬仍順利運行,才能再安心入睡。但是事後回想,正所謂”魔鬼藏在細節裡”,每一次實驗上的失敗,都反應出自己對整個物理架構或是模擬運算上認知的不足,而這也正是進步的契機!甚至可以說,如果沒有這一次又一次的嘗試、挫折、改進,就不會有最後的成果。

教授研究熱情領導鍥而不捨終有突破

薛熙于博士又表示,非常敬佩闕老師對於作研究的純粹與熱情,老師常常和學生們討論實驗結果到三更半夜,害自己錯過最後一班捷運。甚至凌晨1、2點或週末也會收到老師的email,關心研究上的進展或分享任何靈光乍現的 (鬼) 點子。大家往往一開始不習慣,覺得壓力很大,但後來慢慢發現,老師根本不是刻意要施加壓力,只是單純無法克制對實驗結果的好奇與熱情!正因如此,許許多多研究上的難關,就在這樣一次又一次的腦力激盪和鍥而不捨下,獲得了突破。今天能夠在國際一流期刊發表成果,榮耀應歸於闕老師和其領導的整個研究團隊。

感謝頎邦科技公司捐贈顯示卡叢集系統及科技部長年支持

用於該論文電腦模擬的顯示卡叢集系統,為頎邦科技公司於2013年捐贈。研究團隊並感謝科技部的長年支持。

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