台大天文物理團隊研究暗物質 獲重大突破
2014-07-02 14:14
〔記者陳炳宏／台北報導〕台大研究團隊研究宇宙暗物質有了重大突破，
打破傳統的宇宙暗物質理論，提出黑洞形成新解，指出宇宙中暗物質可能
是極輕型粒子，此研究成果榮登自然物理（Nature Physics）雜誌最新期
的封面故事，引起全球關注。
台大由台大物理所教授闕志鴻（右）與物理系博士薛熙于（左）所組成的
天文物理團隊所發表的暗物質論文榮登《自然物理》國際學術期刊封面。
（記者王敏為攝）
Ψ暗物質模擬照片。（台大天文物理所提供）
無法解釋宇宙中約85%的暗物質（dark matter），究竟為何物？是近代天
文物理觀測的重大謎團，即使花了30億美金，聚集全球8千位物理學家共同
參與的位於日內瓦近郊的「大強子對撞機」，運轉5年以來，也尚未有新發現。
由台大物理系博士薛熙于、台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），
僅用台幣2百萬打造的顯示卡叢集運算系統，用自適性網格運算，首度打破傳
統上視暗物質為「重」粒子的觀點；反認為暗物質其實是「（Ψ暗物質粒子）
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，重大突
破性發現，獲選為該雜誌當期封面。
2百萬組裝電腦打敗30億「大強子對撞機」
闕志鴻指出，過去粒子物理學家相信暗物質是「重」粒子，希望在大強子對撞
機中找到，但包括2013年發現的希格斯粒子（上帝的粒子），目前僅發現粒子
標準模型預測的產物，而其他較小型的重粒子暗物質偵測實驗（美國礦坑裡的
LUX實驗），也傳出了令人失望的結果。
闕志鴻表示，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
性與哈伯望遠鏡觀察矮星系（dwarf galaxies）的結果不符，因此學界開始質
疑是否該有新的思維，而「極輕」暗物質的可能性便是新思維之一，而這篇論
文就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
，為推翻重粒子理論的重大突破。
闕志鴻進一步說明，這篇論文詳細描述了Ψ暗物質粒子的特性，包括波長達1000光
年、密度較液態水高100萬倍、更確定出Ψ暗物質粒子的質量，約為電子的10-28倍。
研究團隊也表示，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
1百萬倍。
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），且整個太陽系浸泡在這種極度濃稠的液體中，但因為我們跟它的
交互作用極弱，所以我們無法感受到濃稠的液體的存在，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。
由於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
前台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。
此外，整個研究關鍵點之一就在於去年由「頎邦科技」捐贈、實驗室同學自行打
造的袖珍、平價版超級電腦，，加上70年次的薛熙于負責的超高速3D動態模擬運算
程式開發與結果分析，才會有如此驚人的發現。
薛熙于表示，台大天文物理團隊早在2007年就已有Ψ暗物質的相關推論，到了2010
年發表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）作高效率的結合後，使天文電腦模擬的運算
時間縮短近百倍，才開始有具體模擬實驗。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。
http://news.ltn.com.tw/news/life/breakingnews/1045139