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Liz Kruesi　文　Shea　編譯

神秘而不可見的物質(zhì)維系著宇宙免于分崩離析，但它們到底是什么？

宇宙并不遵循“所見即所得”的原則。事實上，我們所看到的物質(zhì)——恒星、氣體和塵?！獌H僅占據(jù)了宇宙質(zhì)量的10%。這些可見的普通物質(zhì)由質(zhì)子、中子和電子組成?？茖W(xué)家們把它們稱為“重子物質(zhì)”，因為質(zhì)子和中子在亞原子粒子中被稱為“重子”。 宇宙物質(zhì)的其余90%則是“暗物質(zhì)”，它們包圍著宇宙中的每一個星系。

暗物質(zhì)不發(fā)射、吸收或者反射任何波長的光線。因此這些神秘的物質(zhì)是看不見的，但天文學(xué)家通過探測它們和普通物質(zhì)之間的引力相互作用得知了它們的存在。

在黑暗中搜尋

瑞士天體物理學(xué)家弗里茨·茲維基（Fritz Zwiky）在1933年第一個提出了暗物質(zhì)的存在。當(dāng)他研究后發(fā)星系團(tuán)的時候，發(fā)現(xiàn)星系間的引力太小無法維持住整個星系團(tuán)。

有關(guān)暗物質(zhì)的下一波證據(jù)則出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代。天文學(xué)家測量了旋渦星系中不同恒星的速度，并且由此畫出了描述速度和它們到星系中心距離之間關(guān)系的“旋轉(zhuǎn)曲線”。原先認(rèn)為，速度會先增大達(dá)到一個峰值，然后隨著遠(yuǎn)離星系中心而逐漸減小——但測量的結(jié)果卻并不是這么回事。觀測發(fā)現(xiàn)，速度確實會先增大達(dá)到一個峰值，但之后隨著距離的增大它卻基本保持不變，即平坦的旋轉(zhuǎn)曲線。在星系的外邊緣恒星的速度之高使得它們早就該飛出了星系。但是它們卻沒有。必定是科學(xué)家們沒有探測到物質(zhì)維系住了這些恒星的軌道。

一個質(zhì)量非常大的天體——例如，星系團(tuán)——可以做為引力透鏡。因此在一些星系團(tuán)的周圍會出現(xiàn)許多“弧線”。它們是背景的星系所發(fā)出的光被前方的星系團(tuán)引力扭曲、放大后所產(chǎn)生的像。通過研究這些弧線的大小和形狀，天文學(xué)家就可以確定出星系團(tuán)的質(zhì)量。把計算出的質(zhì)量和星系團(tuán)中發(fā)光星系的總質(zhì)量相比較，就能確定出星系團(tuán)中存在多少暗物質(zhì)。

暗物質(zhì)的其他證據(jù)則來自星系團(tuán)之間的碰撞。子彈星系團(tuán)是兩個星系團(tuán)碰撞的產(chǎn)物。當(dāng)星系團(tuán)碰撞時，星系團(tuán)中的絕大多數(shù)星系會不受影響的彼此穿過，因為它們之間有相當(dāng)大的間隙。星系團(tuán)中的高溫氣體占據(jù)了重子物質(zhì)總量的絕大部分，而普通物質(zhì)之間會通過電磁力相互作用。因此，當(dāng)它們碰撞的時候，就會以輻射的形式損失能量——在子彈星系團(tuán)中則是釋放出X射線輻射。于是高溫氣體就會減速。天文學(xué)家使用引力透鏡間接地探測了子彈星系團(tuán)中不可見物質(zhì)的分布，發(fā)現(xiàn)在碰撞的過程中它們也能不受影響地彼此穿過。由此證明了暗物質(zhì)的存在。

隨著新探測方法的涌現(xiàn)，有關(guān)的證據(jù)也正在不斷增加。然而，探測暗物質(zhì)的分布是一回事，了解這些神秘物質(zhì)的性質(zhì)又是另一回事。

與眾不同

多年來，天文學(xué)家們認(rèn)為暗物質(zhì)是由死亡的恒星、黑洞以及其他已知的不發(fā)光天體所組成的。他們使用微引力透鏡來探測了這些物質(zhì)。這一方法和引力透鏡類似，唯一的不同是起到透鏡作用的引力體質(zhì)量要小得多。這一天體的引力除了會使得來自后方的光線被彎曲之外，它們還會放大光強(qiáng)。通過這一辦法天文學(xué)家確實發(fā)現(xiàn)了一些被稱為“暈族大質(zhì)量致密天體”的物質(zhì)，但它們不足以解釋宇宙中所有缺失的質(zhì)量。

于是，如果暗物質(zhì)并不是由普通天體所構(gòu)成的，那么它們極有可能就是由非重子粒子組成的，也就是說組成它們的并非是我們熟悉的普通物質(zhì)（質(zhì)子和中子）。天文學(xué)家將非重子暗物質(zhì)劃分成兩類：熱的和冷的。雖然借用了這兩個詞，但是它們和溫度無關(guān)。“熱”意味著在早期宇宙中這些粒子的運動速度極高——接近光速。“冷”則說明它們在早期宇宙中的速度要小得多。

那么，粒子的運動速度又是如何和暗物質(zhì)的成分扯上關(guān)系的呢？宇宙中運動速度較慢的粒子會先聚集形成較小的結(jié)構(gòu)。這些較小的結(jié)構(gòu)會碰撞和并合成更大的結(jié)構(gòu)，最終形成我們今天觀測到的大質(zhì)量超星系團(tuán)。天文學(xué)家相信我們宇宙中的結(jié)構(gòu)正是這樣發(fā)育和演化的。他們使用冷暗物質(zhì)來模擬宇宙的演化，結(jié)果可以形成和今天我們觀測到相同的結(jié)構(gòu)。

那冷暗物質(zhì)是什么？科學(xué)家們還不確定。從粒子物理學(xué)出發(fā)有許多可供選擇的粒子，但沒有一種恰好符合暗物質(zhì)的要求。雖然并不是專門為暗物質(zhì)而生的，但這些假想中的粒子具備暗物質(zhì)所需的全部或者至少一部分的屬性（質(zhì)量、豐度、壽命以及相互作用方式）。

數(shù)十年來，物理學(xué)家一直致力于統(tǒng)一引力、電磁力、弱相互作用力和強(qiáng)相互作用力。在過去的30年左右的時間里，發(fā)展出了超對稱理論。這一理論預(yù)言，每一種普通粒子都具有一種尚未被探測到的大質(zhì)量“超對稱伙伴”粒子。

超對稱所預(yù)言的粒子是目前主導(dǎo)的暗物質(zhì)候選粒子。這些粒子具有質(zhì)量和弱相互作用力，但它們不參與電磁作用。由此這些弱相互作用大質(zhì)量粒子（WIMP）可以和普通的原子核發(fā)生碰撞，并且在不發(fā)射和吸收輻射的情況下散射它們。最輕的WIMP被稱為“渺中子”（neutralino），是最有人氣的暗物質(zhì)候選者。

另一種常見的冷暗物質(zhì)候選者則是軸子。它也是一種假想中的粒子，但并非來自超對稱理論。軸子并不是一種“物質(zhì)粒子”，而是一種力的載體，類似于傳播電磁力的光子。它要比WIMP還輕得多——最多只有后者的十億分之一，因此為了構(gòu)成暗物質(zhì)宇宙會需要比WIMP多得多的軸子。

你也許會想，既然有那么多的冷暗物質(zhì)粒子，WIMP和軸子應(yīng)該很容易被發(fā)現(xiàn)才是。其實，由于它們不參與電磁相互作用，因此要想探測它們就必須要把現(xiàn)有的實驗推向極致。

如何捕捉冷暗物質(zhì)

探測暗物質(zhì)的方法取決于科學(xué)家想尋找它們中的哪一種（WIMP還是軸子）。尋找WIMP的科學(xué)家試圖在探測器中通過直接觀測它們和普通物質(zhì)的相互作用來捕捉它們。WIMP和原子核之間的碰撞會導(dǎo)致原子核運動或者被散射。

另一種辦法則是間接探測暗物質(zhì)。WIMP的反粒子就是它本身，因此如果兩個WIMP相互作用就會湮滅產(chǎn)生一系列的次級粒子。天體物理學(xué)家可以觀測到許多這些次級粒子，例如電子、正電子（電子的反粒子）、γ射線和中微子。

探測軸子的方法則和探測WIMP的完全不同。當(dāng)軸子從探測器的磁場中穿過的時候，它會轉(zhuǎn)變成光子。

除了探測冷暗物質(zhì)粒子之外，一些科學(xué)家還試圖在實驗室里制造出這些粒子。為此他們必須要擁有極高的能量，目前只有粒子加速器才可以做到這一點。在2009年底世界上最大的粒子加速器大型強(qiáng)子對撞機(jī)重新投入使用之后，科學(xué)家們就應(yīng)該可以借此來尋找這些構(gòu)成暗物質(zhì)的假想粒子。

追捕WIMP

天文學(xué)家相信，銀河系明亮銀盤的周圍有一個球形的冷暗物質(zhì)暈（絕大多數(shù)其他的星系也是如此）。當(dāng)我們的太陽系在繞銀心轉(zhuǎn)動的時候，就會穿過暗物質(zhì)的海洋。此時，這些粒子并不是和地球碰撞的唯一物質(zhì)，由普通物質(zhì)組成的高能宇宙線也會不斷地轟擊地球。來自太陽和其他遙遠(yuǎn)天體的輻射也是如此。

為此，科學(xué)家們把用于尋找冷暗物質(zhì)的探測器都置于地下，由此來阻隔宇宙線的干擾。其關(guān)鍵是要能隔絕“背景噪音”并且能探測到暗物質(zhì)粒子和普通物質(zhì)的相互作用。如果他們做不到第一點，那就必須要有辦法來區(qū)分噪音和WIMP。

一些科學(xué)家認(rèn)為，在地球表面一平方米的面積中每秒鐘大約會有6億個WIMP穿過。但是它們的相互作用非常微弱，那么如何才能“看”到它們呢？一旦WIMP和普通粒子發(fā)生了一次罕見的碰撞，它就會把一部分的能量轉(zhuǎn)移給探測器物質(zhì)中的一個原子核，于是這個原子核就會發(fā)生運動——反沖。反沖的大小則反映出了這個WIMP的能量。在現(xiàn)實中，可以用幾種不同的方法來探測這一反沖。

一類探測器會使用接近絕對零度（0.01開）的晶體。晶體具有一定的結(jié)構(gòu)，因此當(dāng)一個WIMP撞上原子核的時候，原子核會反沖進(jìn)周圍的結(jié)構(gòu)中。在這一碰撞中，反沖的原子核會將它的部分動能轉(zhuǎn)化成熱能造成晶體振動。低溫的環(huán)境正是為了確保探測到的振動僅僅是由于入射粒子的相互作用而造成的。當(dāng)然，科學(xué)家們還會探測到除了WIMP以外的東西，因此絕大多數(shù)的探測器都會采用多種方法來確定這是暗物質(zhì)粒子相互作用還是其他的東西。

另一種直接探測的方法則是使用氣泡室——一個盛放有特定液體的容器。當(dāng)WIMP擊中原子核的時候，就會產(chǎn)生一個微小的氣泡。隨后通過測量氣泡的變大過程，就能確定發(fā)生相互作用的是WIMP還是普通粒子。

如果WIMP的信號隨著時間有年的變化，那將會是確實探測到它的可靠依據(jù)。這是因為地球在繞太陽轉(zhuǎn)動。6月份，地球的運動方向和太陽系繞銀河系運動的方向相同，因此探測到的信號數(shù)量會上升。12月份，地球的運動方向與之相反，探測到的信號數(shù)量就應(yīng)該會有5%～10%的下降。這一差別將幫助科學(xué)家從背景噪音中區(qū)分出WIMP，因為背景噪音終年不變而WIMP的信號則會有起伏。

幾年前以及2008年“暗物質(zhì)”實驗的科學(xué)家小組宣布，通過測量這一起伏找到了WIMP存在的證據(jù)。但不幸的是，他們僅僅使用了一種探測方法，因此很難區(qū)分背景噪音和WIMP的信號。另外，其他的探測實驗沒有一個重復(fù)出了他們的結(jié)果。在科學(xué)中，如果其他的小組無法重復(fù)出一項發(fā)現(xiàn)，那這極有可能是實驗的誤差。

WIMP的間接信號

到目前為止直接探測還沒有發(fā)現(xiàn)WIMP。因此科學(xué)家們還在尋找來自暗物質(zhì)候選者的間接信號，以此來補(bǔ)充直接探測。渺中子湮滅會產(chǎn)生電子、正電子、γ射線、中微子和其他粒子。科學(xué)家可以使用特殊的探測器來探測它的每一種產(chǎn)物。

為了能相互湮滅，渺中子（或者其他WIMP）必須要達(dá)到較高的密度，這一情況通常需要有大質(zhì)量天體的參與才會出現(xiàn)。

太陽或者地球附近的一個WIMP可以和普通物質(zhì)的原子核發(fā)生碰撞（類似于探測器中）。WIMP會失去能量，進(jìn)而它的速度會降低到小于太陽或者地球的逃逸速度。如果這一現(xiàn)象發(fā)生，WIMP就會無法逃出天體引力場的束縛。這個WIMP進(jìn)而會繼續(xù)和其他的原子核碰撞，直到它落入太陽或者地球的中心。

在天體的核心處，WIMP的密度會非常之高，它們自身之間的碰撞會產(chǎn)生次級粒子和輻射。一些地下的實驗裝置——例如日本的超神岡——就可以探測其中的中微子。WIMP的碰撞并不是地球附近中微子的為一來源，太陽也會產(chǎn)生中微子。但中微子探測器可以從太陽中微子中區(qū)別出WIMP湮滅產(chǎn)生的中微子，因為后者具有的能量更高。此外，探測器越大，能探測到的中微子就越多。下一代的中微子探測器“冰立方”目前正在南極興建，它會覆蓋一立方千米的巨大空間。

搜尋WIMP湮滅產(chǎn)生的γ射線也極具前景。這一γ射線會具有特定的能譜，而這一能譜又取決于WIMP的質(zhì)量。費米γ射線空間望遠(yuǎn)鏡將會探測到這一能譜并且為暗物質(zhì)提供間接的觀測證據(jù)。

軸子在哪里？

WIMP目前也許在冷暗物質(zhì)的候選者中處于領(lǐng)跑地位，但它并不是全部。軸子也具有很大的可能性。

軸子探測器通常包含有兩部分：一個有磁場貫穿的空腔和一個放大天線。按照理論，當(dāng)一個軸子穿過這個空腔的時候，它會轉(zhuǎn)變成一個微波光子。這個光子的頻率正比于軸子的質(zhì)量。然而，科學(xué)家們還無法確定軸子的質(zhì)量到底是多少，這就意味著他們還無法確定應(yīng)該在哪個頻率上進(jìn)行尋找。使用天線和放大器，科學(xué)家可以掃描整個微波波段，由此來尋找有別于背景噪音的信號。

探測器的靈敏度正在逐漸達(dá)到可以從背景噪音中探測出軸子和WIMP的程度。雖然還沒有探測到，但科學(xué)家們正在傾其所能來搜尋暗物質(zhì)。隨著在下一個十年更為先進(jìn)的探測器投入使用，宇宙學(xué)家們一定會有一個驚喜——無論最終的探測結(jié)果是好還是壞。

（本文已刊載于《天文愛好者》2010年第3期）