出品：科普中國(guó)
制作：《科學(xué)世界》 雜志社
監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心
2015年12月17日，中國(guó)首顆暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星DAMPE發(fā)射。這是中國(guó)科學(xué)家們的身影又一次出現(xiàn)在“兩暗一黑”問(wèn)題的探索之路上。
你或許聽(tīng)說(shuō)過(guò)“暗物質(zhì)”吧？我們都知道身邊的物質(zhì)是由原子組成的，而原子又是由質(zhì)子、中子、電子等粒子組成。那么，暗物質(zhì)又是什么，由什么組成？它為什么那么重要，以至于各國(guó)科學(xué)家們，利用各種先進(jìn)儀器，在地下深處或是太空中夜以繼日地追尋著它的蹤跡？
為什么說(shuō)存在著暗物質(zhì)？
既然我們身邊的事物都是由普通物質(zhì)組成的，那為什么還會(huì)認(rèn)為自然界中存在著暗物質(zhì)這種東西？
天文學(xué)家們是從20世紀(jì)30年代開(kāi)始意識(shí)到宇宙中存在著看不見(jiàn)的暗物質(zhì)。1933年，瑞士的天文學(xué)家弗里茨?茲威基（Fritz Zwicky）對(duì)距離地球3.2億光年、由超過(guò)3000個(gè)星系組成的后發(fā)座星系團(tuán)進(jìn)行了觀測(cè)。
他采用了兩種不同的方法來(lái)測(cè)量星系團(tuán)的質(zhì)量。第一種方法是對(duì)大量星系的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行分析，因?yàn)樗俣扰c引力有關(guān)，所以可以間接估計(jì)出星系團(tuán)的質(zhì)量。用這個(gè)方法得到質(zhì)量稱為“力學(xué)質(zhì)量”。另一種方法是通過(guò)星系團(tuán)內(nèi)星系的亮度來(lái)估計(jì)質(zhì)量，因?yàn)楹阈琴|(zhì)量越大就越亮。這樣得到的質(zhì)量稱為“光度質(zhì)量”。按說(shuō)力學(xué)質(zhì)量和光度質(zhì)量應(yīng)該相近，然而實(shí)際得到的結(jié)果是，力學(xué)質(zhì)量比光度質(zhì)量高了400倍左右！也就是說(shuō)，力學(xué)質(zhì)量里的絕大部分是我們看不到（不發(fā)光）的物質(zhì)。如果沒(méi)有這部分“看不見(jiàn)的物質(zhì)”的作用，那么這個(gè)星系團(tuán)的引力就不足以將其中的星系像現(xiàn)在這樣束縛在一起。
到了20世紀(jì)70年代，美國(guó)天文學(xué)家薇拉?魯賓（Vera Rubin）使用基特峰天文臺(tái)和洛厄爾天文臺(tái)的望遠(yuǎn)鏡對(duì)距離地球約250萬(wàn)光年的仙女座星系進(jìn)行觀測(cè)。她利用多普勒效應(yīng)測(cè)量了這個(gè)星系不同半徑處，圍繞著星系中心旋轉(zhuǎn)的氣體的運(yùn)動(dòng)速度。按說(shuō)，離中心越近，引力越大，運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)該越快才能產(chǎn)生足夠的離心力，抵消掉引力的影響。就像離太陽(yáng)越近的行星，公轉(zhuǎn)速度就越大。但魯賓也發(fā)現(xiàn)了奇怪的現(xiàn)象：離星系中心不同距離處的氣體，圍繞中心旋轉(zhuǎn)的速度都差不多。她又觀測(cè)了其他星系，發(fā)現(xiàn)也是同樣的情況。魯賓由此認(rèn)為，宇宙中存在著我們看不到的物質(zhì)，為彌散于星系各處的氣體提供著引力。
20世紀(jì)80年代，科學(xué)家正式提出了“暗物質(zhì)”這個(gè)名稱?，F(xiàn)在普遍認(rèn)為，組成星系團(tuán)的質(zhì)量中，星系只占了百分之幾，星系際介質(zhì)約占20%，暗物質(zhì)的比例則高達(dá)70%～80%。暗物質(zhì)的所謂“看不見(jiàn)”，不單單是說(shuō)用我們的肉眼在可見(jiàn)光波段看不見(jiàn)，而是說(shuō)不論探測(cè)什么波段的電磁波，比如紅外線、紫外線、X射線、伽馬射線等，都看不到它。也就是說(shuō)，暗物質(zhì)不發(fā)出任何波段的光。
被淘汰的暗物質(zhì)候選者
暗物質(zhì)到底是什么，現(xiàn)在還不清楚。我們先來(lái)看看科學(xué)家已經(jīng)排除了哪些暗物質(zhì)的“候選者”吧。
人們首先想到暗物質(zhì)會(huì)不會(huì)是那些用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡很難發(fā)現(xiàn)的暗天體，例如行星、褐矮星、衰老的白矮星、中子星、黑洞等。但是所有暗天體加起來(lái)，也達(dá)不到星系總質(zhì)量的10%，不足以扮演暗物質(zhì)的重要角色。
那么，擴(kuò)大范圍，暗物質(zhì)是由原子組成的嗎？研究認(rèn)為，由原子構(gòu)成的物質(zhì)也不足暗物質(zhì)的1/5，依然無(wú)法滿足暗物質(zhì)所需要的量。在宇宙的早期可能存在小型的“原初黑洞”，它們不是從原子組成的恒星演化而來(lái)的，所以并不能將之從暗物質(zhì)候選者中排除掉。但是原初黑洞是否真的存在現(xiàn)在還并不清楚。
子彈星系團(tuán)是由兩個(gè)星系團(tuán)碰撞而形成的。科學(xué)家利用引力透鏡研究其質(zhì)量分布的變化發(fā)現(xiàn)，暗物質(zhì)與其他物質(zhì)幾乎沒(méi)有相互作用，在碰撞的過(guò)程中會(huì)相互穿越而過(guò)。這個(gè)性質(zhì)使人想到了中微子，它既不是原子組成的，也很難與其他物質(zhì)發(fā)生相互作用，而且中微子數(shù)量龐大，每秒鐘都會(huì)有上百萬(wàn)個(gè)中微子穿過(guò)我們的身體。那么中微子是不是暗物質(zhì)呢？
20世紀(jì)70年代，科學(xué)家提出，宇宙中如果只有“可見(jiàn)物質(zhì)”的話，那么從宇宙誕生至今的這段時(shí)間里，就來(lái)不及形成現(xiàn)在所觀測(cè)到的宇宙中的某些結(jié)構(gòu)。1985年，英國(guó)蘇塞克斯大學(xué)的卡洛斯?弗倫克（Carlos Frenk）團(tuán)隊(duì)提出，暗物質(zhì)對(duì)于宇宙中恒星和星系等小結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生起到了重要的作用：首先，由于偶然性，有些地方的暗物質(zhì)會(huì)聚集得多一些，所以引力更強(qiáng)，暗物質(zhì)就更易積聚，密度漸漸變大；接下來(lái)，由原子組成的物質(zhì)（氣體）也被引力拉過(guò)去，很快進(jìn)一步坍縮，生成恒星和星系等結(jié)構(gòu)；然后，一些星系進(jìn)一步匯集，形成星系團(tuán)。就這樣，在暗物質(zhì)的作用下，從星系到星系團(tuán)，一步步形成了宇宙中的大尺度結(jié)構(gòu)。
但是上述方案的成立是有條件的，就是暗物質(zhì)必須是很“冷”的，這意味著它們是由低速的粒子構(gòu)成的。計(jì)算顯示，如果運(yùn)動(dòng)的速度太大，粒子彌散的范圍太廣，星系這樣的小尺度結(jié)構(gòu)就難以形成了。而中微子是以接近光速運(yùn)動(dòng)的“熱”粒子，加上它的質(zhì)量也太小，因此也被從暗物質(zhì)的候選者中排除了。
這是NASA的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡與錢(qián)德拉X射線天文衛(wèi)星、拉斯坎帕拉斯天文臺(tái)的麥哲倫望遠(yuǎn)鏡捕捉到的子彈星系團(tuán)（1E0657-556）的合成圖。在子彈星系團(tuán)內(nèi)，兩個(gè)星系團(tuán)以每秒4500千米的速度相互碰撞。粉色代表用X射線觀測(cè)到的星系際氣體的分布。藍(lán)紫色代表星系團(tuán)的質(zhì)量分布，這也可以認(rèn)為就是暗物質(zhì)的分布。這個(gè)質(zhì)量分布是利用子彈星系團(tuán)背后的天體所發(fā)出的光被星系團(tuán)的引力效應(yīng)彎折的現(xiàn)象推算出來(lái)的。可以看出，氣體發(fā)生碰撞后停留在中心，暗物質(zhì)則互相穿過(guò)。（圖：NASA等）
暗物質(zhì)的必要條件
現(xiàn)在我們來(lái)總結(jié)一下，看看要成為暗物質(zhì)，都需要滿足哪些條件：
- 不發(fā)出任何光
- 幾乎不與任何物質(zhì)發(fā)生碰撞
- 在宇宙早期時(shí)速度幾乎是零
- 宇宙中存在的量大約是可見(jiàn)物質(zhì)的5倍
科學(xué)家認(rèn)為，滿足上述條件、有希望成為暗物質(zhì)的基本粒子有兩種：中輕微子（neutralino）和軸子（axion）。中輕微子是一種理論上預(yù)言的粒子，尚未被發(fā)現(xiàn)。它不帶電，質(zhì)量是質(zhì)子的1000倍左右，因?yàn)橘|(zhì)量大所以運(yùn)動(dòng)得很慢。它既不發(fā)光，也很少與其他物質(zhì)發(fā)生碰撞。在宇宙中的數(shù)密度平均是1000立方米1個(gè)。軸子也是一種理論上預(yù)言的粒子，它的質(zhì)量非常小，大約只有質(zhì)子的100萬(wàn)億分之1。假如軸子就是暗物質(zhì)的的話，數(shù)密度可以達(dá)到1000立方米1017個(gè)。從宇宙早期誕生時(shí)開(kāi)始，軸子的速度就幾乎為零，這是因?yàn)樗鼛缀醪慌c其他粒子發(fā)生碰撞，也就無(wú)法得到能量。
尋找暗物質(zhì)
暗物質(zhì)是現(xiàn)代天文學(xué)和物理學(xué)的一大謎團(tuán)。世界上有很多科學(xué)團(tuán)隊(duì)在試圖找到它。實(shí)際上，暗物質(zhì)本身我們根本無(wú)法捕獲，只能從它與其他物質(zhì)偶然發(fā)生的碰撞所產(chǎn)生的蛛絲馬跡，來(lái)捕捉它的身影。
最直接的方法就是捕捉暗物質(zhì)與某個(gè)原子核相碰撞時(shí)發(fā)出的信號(hào)。例如我國(guó)的錦屏極深地下暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室，位于四川雅礱江錦屏山的隧道內(nèi)，上方有厚達(dá)2400米的巖石層，可以將穿透力極強(qiáng)的宇宙射線隔絕到只有地面水平的大約億分之一，為探測(cè)暗物質(zhì)提供了一個(gè)幾乎沒(méi)有干擾的環(huán)境。實(shí)驗(yàn)室使用的是我國(guó)自主設(shè)計(jì)的高純鍺探測(cè)器，測(cè)量暗物質(zhì)粒子與鍺晶體碰撞時(shí)產(chǎn)生的熱。加拿大、美國(guó)、意大利、日本等國(guó)也建有尋找暗物質(zhì)的地下實(shí)驗(yàn)室。
還有間接探測(cè)暗物質(zhì)的方法，就是捕捉暗物質(zhì)對(duì)互相碰撞、湮滅時(shí)產(chǎn)生的痕跡。當(dāng)一對(duì)暗物質(zhì)粒子偶然正碰的時(shí)候，會(huì)同時(shí)湮滅，可能會(huì)放出質(zhì)子、電子及它們的反粒子、中微子和伽馬射線。如果能夠精確測(cè)量到這些粒子的能譜，就可能會(huì)發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子的蹤影。例如丁肇中教授主持的阿爾法磁譜儀（AMS）實(shí)驗(yàn)，就是在太空中高精度地探測(cè)反物質(zhì)粒子的能譜，有可能發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的蹤影。2011年5月19日，奮進(jìn)號(hào)航天飛機(jī)將重達(dá)6.7噸的AMS-02探測(cè)器運(yùn)送到國(guó)際空間站上，展開(kāi)探測(cè)。我國(guó)有多個(gè)研究單位參與了這一項(xiàng)目。
中國(guó)科學(xué)院計(jì)劃于2015年底左右發(fā)射一顆暗物質(zhì)探測(cè)衛(wèi)星，進(jìn)行暗物質(zhì)間接探測(cè)實(shí)驗(yàn)。這顆衛(wèi)星既能探測(cè)正負(fù)電子，又能夠觀測(cè)高能伽馬光子，而且具有較好的能量分辨率，希望能捕捉到暗物質(zhì)的蹤跡。
除了捕捉暗物質(zhì)，科學(xué)家們還試圖人工制造出暗物質(zhì)，例如中輕微子。目前最有希望制造出中輕微子的就是位于瑞士日內(nèi)瓦郊外地下的“大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)”（Large Hadron Collider，LHC）。2012年，科學(xué)家正是用LHC發(fā)現(xiàn)了被稱為“上帝粒子”的希格斯粒子。
暗物質(zhì)占宇宙組成的大約23%，另一種神秘的東西——暗能量占到了大約73%。也就是說(shuō)，這個(gè)宇宙96%的組成我們都還不清楚到底是什么。暗物質(zhì)是恒星、星系等天體形成的種子，暗物質(zhì)是什么，直接關(guān)系著我們自身的起源。暗物質(zhì)之謎的解開(kāi)，也將是粒子物理學(xué)的一次飛躍。
“科普中國(guó)”是中國(guó)科協(xié)攜同社會(huì)各方利用信息化手段開(kāi)展科學(xué)傳播的科學(xué)權(quán)威品牌。
本文由科普中國(guó)提供
