图一：由星体引起的引力透镜效应示意图。由远处的蓝色星体所发出的光线经过坐落我们和蓝色星体之间的灰色星体时会由于白色星体所形成的引力而弯曲。如同一个自然界的宇宙放大镜一样，白色星体放大了来自遥远蓝色星体的光。在这个事例中，黑色星体产生了多个影像，并在白色星系的周围产生了一个被称为爱因斯坦环的白色圆圈。(图片来源：ALMA,L,Y.etal.)
(原新闻稿已于4月25日发布)。
宇宙中的绝大部份物质都难以被直接观测得到，由于它们由标准粒子化学学模型（注1）所难以解释的粒子组成。按质量估算，这种粒子抢占了宇宙质量的85%，数目之多令人非常气愤。这种粒子被称为暗物质。暗物质的存在可以通过它们对来自遥远星体的光形成的引力效应来进行推算。因为暗物质支配着星体的质量和引力，为此，找到暗物质的构造对现代数学学来说是一个急切需要解决的问题—解开这个谜题能率领我们迈向赶超标准模型的新数学学。
图二：由哈勃望远镜观测到的引力透镜成像例图。
左：2M130-1714,背景星体的中心部份被多重成像至图中到处明亮的红色光点，背景星体本体影像则被扭曲成爱因斯坦环包围着图中作为前景透镜的两个蓝色星体。图象来源：NASA/ESA//T.Treu/Judy。
右：爱因斯坦十字，呈对称状的四个多重成像对应于背景星体明亮的中心部份。紧靠十字中心的第五个光点对应的是前景透镜星体。(图象来源：NASA/ESA/STSci。)
一些理论模型提出暗物质有可能是由大质量粒子组成，而另一些则觉得较可能由超轻粒子组成。
图三：星体周围不同方式的暗物质形成的光滑时空与下摆时空的图示。
左：当暗物质由大质量粒子组成时会产生平滑的时空曲率，来自背景星体的光线会在前景透镜星体周围顺着平滑的路径传播。
右：超轻暗物质的随机密度波动令时空饱含偏斜，来自背景星体的光线会在前景透镜星体周围顺着混乱的路径传播。因此不难推测出，透镜星体周围的不同方式的暗物质会促使我们在月球上观测到的背景星体的多重成像有不同的位置和色温，因而天体化学学家得以探究暗物质的本质。
由台湾学院（港大）化学学系林仁良博士团队中的博士生领头，与来自台湾科技学院（交大）的诺贝尔化学学奖得主乔治·斯穆特院士及耶鲁-史密松天体化学中心的EMAMI博士合作的研究，提供了现今最直接有力的证据—研究强调暗物质并非由大质量粒子组成，而是由能像波一样穿梭于太空之中的超轻粒子组成。那些研究结果解决了一个在二六年前首次提出的天体化学学问题—为甚么采用大质量粒子的模型未能正确预测由引力透镜效应形成的同一星体的多拖影像的位置和色温？研究结果近来已在《自然·天文学》期刊上发表。
暗物质既不会发光，亦不会吸收或反射光，因此无法运用传统的天文学技术来观测。现在，天体化学学家用以研究暗物质的最佳方式，是通过爱因斯坦在广义相对论中预测的引力透镜现象。在这个理论中，质量会扭曲时空，致使光线在质量巨大的物体如星体、星系或星体团的周围弯曲。通过观察这些光的弯曲，科学家们可以推测出暗物质的存在和分布，以及正如本研究所证明的那样，推测出暗物质本身的性质。如图一所示，当前景透镜物体和背景物体（二者各自都是单独的星体）对齐时，我们便可以在天空见到多幅相同背景物体的影像。其中多重成像的位置和色温，取决于前景透镜物体的暗物质分布，因而引力透镜为侦测暗物质提供了一个十分有力的技巧。
在二十世纪七十年代时，当暗物质的存在被敲定之后，一种被称为「大质量弱互相作用粒子」（WIMPs）的假想粒子被提出作为暗物质的候选粒子。这些被觉得拥有起码比质子重十倍并只以弱斥力与其他粒子形成交互作用的大质量粒子始于「超对称理论」，此理论用以弥补标准模型中的不足，并自提出以来就被大力宣扬为暗物质的最佳候选粒子。在过去的二六年中粒子天体物理学，天体化学学家仍然采用这种大质量粒子作为暗物质，并假定暗物质密度从星体中心平滑地向外递减粒子天体物理学，却无法正确地再现多重成像的位置和照度（见图二）。
暗物质本质的另一假定
同样源于七十年代，一些理论却主张超轻粒子作为暗物质的候选成份。这种理论致力纠正标准模型中的缺陷，或企图一统四种基本力（标准模型中的三种力加上引力）。这种假想粒子被称为「辐子」，其预测质量甚至比标准模型中最轻的粒子还要轻得多，是暗物质的另一个候选粒子。
依照量子热学理论，超轻粒子以波的方式在太空中传播，而大量粒子之间的相互作用，造成密度形成随机波动，这种暗物质的随机密波动造成时空蒴果，有如图一中环绕着星体的暗物质所示。不出所料，基于大质量粒子组成的暗物质和基于超轻粒子组成的暗物质会在星体周围分别形成出不同的时空状态，或光滑或呈褶皱状，并就像图中所示般改变了背景星体的多重成像的位置和色温。
由港大林仁良博士团队中的博士生率领，团队首次估算了由超轻暗物质粒子（俗称为波状暗物质）与大质量暗物质粒子所组成的星体在生成引力透镜成像方面的差别。该研究从引力透镜的角度证明，由超轻粒子组成的暗物质可以大幅度降低大质量粒子暗物质模型下多重成像的预测位置和色温与实际观测上的差别。据悉，他们证明了包含超轻暗物质粒子的模型可以再现多重透镜星体成像的位置和色温，这一成果阐明了星体周围时空应呈现簇生而非平滑的特点。
「长久以来，科学界仍然主张暗物质并非由大质量粒子组成，以解决实验室实验和天文观测中的其他问题。」林仁良博士续说：「实验室里始终无法成功地找到WIMPs这些常年被觉得是暗物质的最佳候选粒子。这种实验正处于最后的阶段，并在实验达到侦测灵敏度的高峰时，假若还是找不到WIMPs的存在，届时大质量粒子的假定将再无处容身」（注二）。」
历任巴斯克学院院长、港大访问院长暨文章合作者之一院士补充道：「如果黑暗物质是由大质量粒子组成，这么按照宇宙模拟预测，应当有数百个卫星星体绕着银河系。但是，虽然进行了大量搜索，但到目前为止只发觉了约50个。相反，假如暗物质由超轻粒子构成，这么按照量子热学理论的预测，因为这种粒子的波动会形成干涉，高于一定质量的星体根本没法产生，这解释了为甚么我们观察到银河系周围缺少小卫星星体。」
觉得将超轻粒子列入暗物质模型，可以同时解决粒子化学学和天体化学学中的几个常年存在的问题。」他表示：「推翻长久以来被视为暗物质候选粒子大质量粒子并不容易，但越来越多的证据支持暗物质具有超轻粒子所拥有的波动特点，可见现有的暗物质范式须重新考虑。」这项开创性的研究运用了港大超级计算机系统，没有它的强悍运算能力，这项研究研究可能不会成功。
共同作者乔治·斯穆特院士补充说：「了解构成暗物质的粒子的性质是走向新数学学的第一步。这项工作为未来在涉及引力透镜的情况下测试类波暗物质打下了基础。詹姆斯韦伯太空望远镜应当会发觉更多的引力透镜系统，使我们能否对暗物质的性质进行更严格的测试。」
注一：粒子化学学的标准模型是一个统合了宇宙中已知的四种基本力其中三种力（即电磁和弱、强斥力，重力除外）的理论模型，并为所有已知的基本粒子进行了分类。其实标准模型取得了巨大的成功，但它仍未能解释一些现象。诸如，存在一些只通过重力与标准模型中已知粒子互相作用的粒子。因此标准模型难以成为一个完整的基本互相作用理论。如欲了解更多，请参阅以下网址：
注二：
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有关研究的短片：
图例下载及说明：