作者：王治鈞
來源：《知識就是力量》雜志
宇宙中大約有85％的物質是“暗物質”，它無法透過電磁波的直接觀測進行研究，但是這種神秘物質卻會對宇宙產生巨大影響。這些奇怪的東西到底是什么？如何研究它？它與人類的存在有什么關系呢？2019年TED和美國國家科學院的聯合活動邀請了斯坦福大學物理學家里薩·韋克斯勒（Risa Wechsler）分享了關于暗物質的研究，里薩是SLAC國家加速器實驗室的粒子物理和天體物理學教授，兼卡夫利粒子天文物理學和宇宙學研究所的所長。在演講中里薩解釋了為什么暗物質可能是理解宇宙形成的關鍵因素，并分享了世界各地實驗室的物理學家們如何提出了創(chuàng)造性的研究方法。
美國斯坦福大學物理學家里薩·韋克斯勒（Risa Wechsler）中國古代將金、木、水、火、土作為基本元素，以此來研究世界萬物的形成及其相互關系。隨著近現代科技水平的進步，人類逐漸知道宇宙物質由分子、原子、質子等微粒組成，這些物質都是可以被觀察到的，比如星系、星球、氣體、灰塵、生物等，但這些“普通物質”只占全宇宙所有物質的15%，而其余85%的物質不會被吸收或發(fā)射光線，我們用肉眼無法觀察它們，也幾乎無法用電磁波或其他任何的可見光探測它們，這就是暗物質。暗物質是抽象的、難以想象的，但暗物質就在我們身旁。宇宙大爆炸后不到一秒的時刻，宇宙膨脹得非常迅速，所有的物質都是在這個時候創(chuàng)造的。大約在大爆炸發(fā)生的40萬年以后，宇宙溫度高，密度大，很平滑，但是物質質量分布不均勻。這個過程中暗物質發(fā)揮了很重要的引力作用，使這些質量不夠重的點聚集到一起。左邊為充滿暗物質的宇宙模型，右邊為缺乏暗物質的宇宙有暗物質的宇宙，質量聚集增加得很快，更容易形成星系，缺乏暗物質的宇宙只有很小的塊狀物質，只會保持原有的狀態(tài)，改變也會相對較小。所以說暗物質決定了宇宙中星系的起源、形成與演化，在缺失暗物質的宇宙環(huán)境里，自引力系統很難形成，不會出現像銀河系這樣的大星系，形成適宜生物的星系的概率大大降低，自然也不會有人類或者其他生命體出現。所以說暗物質是宇宙的主宰，沒有它我們將不復存在。大多數的物理學家認為暗物質是一種粒子，在很多方面與我們所知的亞原子很像，比如質子、中子和電子。物理學家和天文學家嘗試多個方法去尋找看不到的暗物質粒子，目前探測暗物質的方法有3種，比如地下實驗室的探測器、地面或太空探測器以及通過大型強子對撞機(LHC)創(chuàng)造出暗物質粒子。我們可以想象宇宙中的各種粒子一直如傾盆大雨般沖擊著地球，要甄別發(fā)現隱身其中的暗物質粒子，就如同從熙熙攘攘的運動場中探聽到一根針掉在地上一樣困難。為屏蔽掉嘈雜的各種宇宙粒子，科學家們通常會利用極深地下實驗室，這是開展重大基礎前沿物理實驗研究的一種極佳環(huán)境。
多個國家利用礦井和隧道深坑實驗室建造了靈敏的暗物質探測器，等待穿過地球的暗物質粒子撞擊密度更大的物質，希望可以從中找到暗物質的蛛絲馬跡。中國四川錦屏山暗物質實驗室處于地下2400多米，是世界最深實驗室，可以屏蔽大量宇宙射線的干擾，如果足夠幸運，實驗室反應器能捕獲到暗物質粒子穿過巖石的痕跡。錦屏山實驗室在一期建成投入使用后，科學家們已經取得了一系列研究成果，排除了一些暗物質的研究方向，縮小了研究范圍。二期工程將會安裝更強大的噸量級超級探測器，可以更靈敏地探測暗物質顆粒。如果說地下實驗主要進行的是暗物質直接探測，是探測暗物質粒子與普通物質之間的碰撞過程，那么太空空間儀器就是一種間接探測，和地面直接探測所基于的物理假設區(qū)別很大，是一種互補關系。物理學家們認為，暗物質粒子碰撞后會產生高能粒子，暗物質衛(wèi)星探測器就是嘗試去精確探測這些粒子，通過其能譜、空間分布來尋找暗物質粒子存在的證據。目前國際上最著名的幾個暗物質探測器包括美國費米衛(wèi)星、阿爾法磁譜儀AMS-02和中國的“悟空”。三者各有特色，“悟空”在觀測能段范圍、能量分辨率、粒子鑒別本領等方面有很大優(yōu)勢，特別適合尋找暗物質粒子湮滅過程中產生的一些非常尖銳的能譜信號。因為這個探測器有308根縱橫交錯的“水晶棒”，每一根都有2.5厘米見方、60厘米長，是世界上最長的鍺酸鉍晶體，這些漂亮的“水晶棒”能夠測量入射粒子的能量。科學家們也嘗試利用瑞士的大型強子對撞機將粒子撞擊在一起，看是否能產生暗物質。加速器可以將亞原子粒子加速到接近光速，然后讓它們相互碰撞，通過高速碰撞產生出多種粒子，包括暗物質粒子。然而，即使采用最強大的粒子加速器至今也未能發(fā)現暗物質的跡象，原因之一可能是現有的加速器功率、速度還未達到理想值。
瑞士的大型強子對撞機（LHC）是世界上最大的粒子對撞機，如今已經進入暮年，科學家們希望設計推出一款更強大的粒子加速器，歐洲核子研究中心（CERN）就計劃在瑞士日內瓦地下隧道中再建造一個長達100千米的圓形超級對撞機，質子對撞的能量將是當前老對撞機LHC的6倍，以此來推動高能物理學的前沿研究。對于暗物質探索一線的科學家來說，尋找一種充滿未知的物質，不管是地面還是太空，都需要更多不同類型探測器收集更多數據，排除更多理論假說，才可能找到認識暗物質的正確方向。目前為止，上述的這些探測研究都或多或少已取得一定進展，排除了一些疑似暗物質的情況，但這些觀察依然沒有辦法明確什么是暗物質，路漫漫其修遠兮，科學家們仍然在上下求索，努力去尋找答案。如果沒有暗物質，我們的銀河系將不復存在。這些星系如何在宇宙中變化、分布、移動都和暗物質有關，因此，我們可以通過對星系的觀察來檢驗研究暗物質的一些預測。
首先科學家可以用星系繪制宇宙圖?！鞍的芰空{查項目”繪制了迄今為止最大的宇宙圖，測量跨越八分之一天空的近1億個星系的位置和形狀。宇宙圖向我們展示了天空這一區(qū)域中的所有物質，是由這1億個星系扭曲的光線推斷出來的。光線在穿過這些星系和我們地球之間的物質時發(fā)生了扭曲——物質的引力足夠強可以彎曲光路。這種類型的巡天圖可以告訴我們暗物質的數量，也可以告訴我們暗物質的大致位置以及其隨時間的變化，從而進一步了解宇宙的構成。暗物質可以分成熱暗物質（HDM），溫暗物質（WDM）和冷暗物質（CDM）。溫暗物質運動比較快，冷暗物質運動緩慢。溫暗物質粒子運動快，星系中的引力不足以令其減速，它們更容易流失掉，圍繞銀河星系的小塊暗物質會減少，因此在這些小塊暗物質中的衛(wèi)星星系數量也會減少。于是通過測量衛(wèi)星星系的數量，科學家可以區(qū)分這些暗物質的類型。如果在晴朗天氣下仰望南方的夜空，我們能看到兩個真實環(huán)境中的小星系就是如此，它們環(huán)繞著銀河系，分別是大麥哲倫星云和小麥哲倫星云。
在過去的幾年中，科學家利用制作宇宙圖所用的暗能量檢測發(fā)現了很多非常小的星系，有的只包含有幾百顆恒星，相對于我們銀河系的幾千億顆來說，這種小星云很難找到。現在我們知道有60個小星系正在繞著銀河系旋轉，這些小家伙是暗物質的重要線索，這些星系的存在就告訴我們：暗物質不可能很快移動，當碰到正常物質時暗物質不會發(fā)生太多改變。當代粒子物理及天體物理領域里暗物質是一個很熱門的研究領域。在未來科學家們將制作更加精確的巡天圖，完善我們對整個銀河系和宇宙的理解。暗物質仍然是一個巨大的謎，但它的研究過程更加讓人激動。隨著科技水平的提高，這項研究將更加深入，人類將逐漸揭開謎團，這可能讓我們對物理學理論有全新的理解，并從中探究人類在宇宙中的位置。
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