圖一：由星體引起的引力透鏡效應示意圖。由遠處的藍色星體所發出的光線經過坐落我們和藍色星體之間的灰色星體時會由于白色星體所形成的引力而彎曲。如同一個自然界的宇宙放大鏡一樣，白色星體放大了來自遙遠藍色星體的光。在這個事例中，黑色星體產生了多個影像，并在白色星系的周圍產生了一個被稱為愛因斯坦環的白色圓圈。(圖片來源：ALMA,L,Y.etal.)
(原新聞稿已于4月25日發布)。
宇宙中的絕大部份物質都難以被直接觀測得到，由于它們由標準粒子化學學模型（注1）所難以解釋的粒子組成。按質量估算，這種粒子搶占了宇宙質量的85%，數目之多令人非常氣憤。這種粒子被稱為暗物質。暗物質的存在可以通過它們對來自遙遠星體的光形成的引力效應來進行推算。因為暗物質支配著星體的質量和引力，為此，找到暗物質的構造對現代數學學來說是一個急切需要解決的問題—解開這個謎題能率領我們邁向趕超標準模型的新數學學。
圖二：由哈勃望遠鏡觀測到的引力透鏡成像例圖。
左：2M130-1714,背景星體的中心部份被多重成像至圖中到處明亮的紅色光點，背景星體本體影像則被扭曲成愛因斯坦環包圍著圖中作為前景透鏡的兩個藍色星體。圖象來源：NASA/ESA//T.Treu/Judy。
右：愛因斯坦十字，呈對稱狀的四個多重成像對應于背景星體明亮的中心部份。緊靠十字中心的第五個光點對應的是前景透鏡星體。(圖象來源：NASA/ESA/STSci。)
一些理論模型提出暗物質有可能是由大質量粒子組成，而另一些則覺得較可能由超輕粒子組成。
圖三：星體周圍不同方式的暗物質形成的光滑時空與下擺時空的圖示。
左：當暗物質由大質量粒子組成時會產生平滑的時空曲率，來自背景星體的光線會在前景透鏡星體周圍順著平滑的路徑傳播。
右：超輕暗物質的隨機密度波動令時空飽含偏斜，來自背景星體的光線會在前景透鏡星體周圍順著混亂的路徑傳播。因此不難推測出，透鏡星體周圍的不同方式的暗物質會促使我們在月球上觀測到的背景星體的多重成像有不同的位置和色溫，因而天體化學學家得以探究暗物質的本質。
由臺灣學院（港大）化學學系林仁良博士團隊中的博士生領頭，與來自臺灣科技學院（交大）的諾貝爾化學學獎得主喬治·斯穆特院士及耶魯-史密松天體化學中心的EMAMI博士合作的研究，提供了現今最直接有力的證據—研究強調暗物質并非由大質量粒子組成，而是由能像波一樣穿梭于太空之中的超輕粒子組成。那些研究結果解決了一個在二六年前首次提出的天體化學學問題—為甚么采用大質量粒子的模型未能正確預測由引力透鏡效應形成的同一星體的多拖影像的位置和色溫？研究結果近來已在《自然·天文學》期刊上發表。
暗物質既不會發光，亦不會吸收或反射光，因此無法運用傳統的天文學技術來觀測。現在，天體化學學家用以研究暗物質的最佳方式，是通過愛因斯坦在廣義相對論中預測的引力透鏡現象。在這個理論中，質量會扭曲時空，致使光線在質量巨大的物體如星體、星系或星體團的周圍彎曲。通過觀察這些光的彎曲，科學家們可以推測出暗物質的存在和分布，以及正如本研究所證明的那樣，推測出暗物質本身的性質。如圖一所示，當前景透鏡物體和背景物體（二者各自都是單獨的星體）對齊時，我們便可以在天空見到多幅相同背景物體的影像。其中多重成像的位置和色溫，取決于前景透鏡物體的暗物質分布，因而引力透鏡為偵測暗物質提供了一個十分有力的技巧。
在二十世紀七十年代時，當暗物質的存在被敲定之后，一種被稱為「大質量弱互相作用粒子」（WIMPs）的假想粒子被提出作為暗物質的候選粒子。這些被覺得擁有起碼比質子重十倍并只以弱斥力與其他粒子形成交互作用的大質量粒子始于「超對稱理論」，此理論用以彌補標準模型中的不足，并自提出以來就被大力宣揚為暗物質的最佳候選粒子。在過去的二六年中粒子天體物理學，天體化學學家仍然采用這種大質量粒子作為暗物質，并假定暗物質密度從星體中心平滑地向外遞減粒子天體物理學，卻無法正確地再現多重成像的位置和照度（見圖二）。
暗物質本質的另一假定
同樣源于七十年代，一些理論卻主張超輕粒子作為暗物質的候選成份。這種理論致力糾正標準模型中的缺陷，或企圖一統四種基本力（標準模型中的三種力加上引力）。這種假想粒子被稱為「輻子」，其預測質量甚至比標準模型中最輕的粒子還要輕得多，是暗物質的另一個候選粒子。
依照量子熱學理論，超輕粒子以波的方式在太空中傳播，而大量粒子之間的相互作用，造成密度形成隨機波動，這種暗物質的隨機密波動造成時空蒴果，有如圖一中環繞著星體的暗物質所示。不出所料，基于大質量粒子組成的暗物質和基于超輕粒子組成的暗物質會在星體周圍分別形成出不同的時空狀態，或光滑或呈褶皺狀，并就像圖中所示般改變了背景星體的多重成像的位置和色溫。
由港大林仁良博士團隊中的博士生率領，團隊首次估算了由超輕暗物質粒子（俗稱為波狀暗物質）與大質量暗物質粒子所組成的星體在生成引力透鏡成像方面的差別。該研究從引力透鏡的角度證明，由超輕粒子組成的暗物質可以大幅度降低大質量粒子暗物質模型下多重成像的預測位置和色溫與實際觀測上的差別。據悉，他們證明了包含超輕暗物質粒子的模型可以再現多重透鏡星體成像的位置和色溫，這一成果闡明了星體周圍時空應呈現簇生而非平滑的特點。
「長久以來，科學界仍然主張暗物質并非由大質量粒子組成，以解決實驗室實驗和天文觀測中的其他問題。」林仁良博士續說：「實驗室里始終無法成功地找到WIMPs這些常年被覺得是暗物質的最佳候選粒子。這種實驗正處于最后的階段，并在實驗達到偵測靈敏度的高峰時，假若還是找不到WIMPs的存在，屆時大質量粒子的假定將再無處容身」（注二）。」
歷任巴斯克學院院長、港大訪問院長暨文章合作者之一院士補充道：「如果黑暗物質是由大質量粒子組成，這么按照宇宙模擬預測，應當有數百個衛星星體繞著銀河系。但是，雖然進行了大量搜索，但到目前為止只發覺了約50個。相反，假如暗物質由超輕粒子構成，這么按照量子熱學理論的預測，因為這種粒子的波動會形成干涉，高于一定質量的星體根本沒法產生，這解釋了為甚么我們觀察到銀河系周圍缺少小衛星星體。」
覺得將超輕粒子列入暗物質模型，可以同時解決粒子化學學和天體化學學中的幾個常年存在的問題。」他表示：「推翻長久以來被視為暗物質候選粒子大質量粒子并不容易，但越來越多的證據支持暗物質具有超輕粒子所擁有的波動特點，可見現有的暗物質范式須重新考慮。」這項開創性的研究運用了港大超級計算機系統，沒有它的強悍運算能力，這項研究研究可能不會成功。
共同作者喬治·斯穆特院士補充說：「了解構成暗物質的粒子的性質是走向新數學學的第一步。這項工作為未來在涉及引力透鏡的情況下測試類波暗物質打下了基礎。詹姆斯韋伯太空望遠鏡應當會發覺更多的引力透鏡系統，使我們能否對暗物質的性質進行更嚴格的測試。」
注一：粒子化學學的標準模型是一個統合了宇宙中已知的四種基本力其中三種力（即電磁和弱、強斥力，重力除外）的理論模型，并為所有已知的基本粒子進行了分類。其實標準模型取得了巨大的成功，但它仍未能解釋一些現象。諸如，存在一些只通過重力與標準模型中已知粒子互相作用的粒子。因此標準模型難以成為一個完整的基本互相作用理論。如欲了解更多，請參閱以下網址：
注二：
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