Only Perception: 暗物質：波長為天文級的量子波動？

2014-07-04

暗物質：波長為天文級的量子波動？

◆ 台大天文物理團隊研究暗物質獲重大突破
http://news.ltn.com.tw/news/life/breakingnews/1045139

自由 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。

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90億億美金，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90億「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的-28次方倍。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。

◆ 台大研究暗物質 200萬平價超級電腦立功
http://news.ltn.com.tw/news/life/paper/792663

自由 2014-07-03

打敗歐洲90億美元「大強子對撞機」

〔記者陳炳宏／台北報導〕總重量佔宇宙約八成五的暗物質究竟為何物？始終是近代天文物理的重大謎團。

可解釋星系核心黑洞的形成

台大天文物理所與西班牙巴斯克大學合作，利用台幣兩百萬打造出的顯示卡叢集運算系統，發現暗物質其實是「（Ψ暗物質粒子）極輕型粒子」，但密度極大，據此可解釋星系核心黑洞的形成。這項發現獲選為最新一期《自然物理》（Nature Physics）國際期刊的封面論文，備受國際矚目。

歐洲有花了九十億美元、聚集八千位物理學家參與的「大強子對撞機」，運轉五年未有具體發現。台大天文物理所教授闕志鴻指出，過去學界普遍相信暗物質是「重」粒子，希望透過大強子對撞機找到，但偵測實驗結果多令人失望。

重粒子觀點也受到天文界質疑，因其特性與哈伯望遠鏡觀察星系的結果似乎不符，因此學界出現新思維，「極輕」型粒子的可能性便是之一。

台大物理系博士薛熙于、教授闕志鴻及西班牙巴斯克大學的布羅荷斯特教授共同發表的「暗物質波的量子干涉形成宇宙結構」論文，是第一個對極輕暗物質提出定量預測，被視為推翻重粒子理論的重大突破。

薛熙于研發出一套超高速高解析度「三維動態數值模擬運算」機，使天文電腦模擬運算時間縮短近百倍，並將空間解析度成功提升二十多倍，再和布羅荷斯特提供的天文觀測資料比較，印證暗物質大部分其實是「極輕型粒子」。

Ψ暗物質粒子特性，包括波長達一千光年、密度較液態水高一百萬倍、更確定出其質量，僅約為電子的十的負二十八次方倍。

研究團隊進一步分析，如此輕的粒子，為何總重量佔宇宙的八十五％？原因在其粒子密度非常高。若要偵測這種暗物質，要用與對撞機不同的概念，這也將是未來大型國際觀測的重點計畫。

這次研究成功關鍵之一，在於實驗室自行打造的平價版超級電腦，加上七十年次的薛熙于負責超高速3D動態模擬運算程式進行演算，才有驚人成果。

薛熙于指出，台大團隊早在二○○七年就已有Ψ暗物質相關推論，二○一○年發表世界上第一個成功將多張圖型顯示卡與自適性網格作高效率結合，使天文電腦模擬運算時間縮短近百倍。他進一步把此技術應用到Ψ暗物質研究，才得以發現輕粒子的存在。

※ 看起來頗像「以太 (ether)」。相關報導：

＊ Cosmic structure as the quantum interference of a coherent dark wave
http://www.nature.com/nphys/journal/v10/n7/full/nphys2996.html