尋找宇宙命運的主宰者

■曉蒂志強

遂古之初，誰傳道之？上下未形，何由考之？冥昭瞢暗，誰能極之？馮翼惟象，何以識之？

這是先秦時期楚國詩人屈原在其詩篇《天問》開篇時提出的問題。從古到今，人類始終渴望能夠更好地了解我們所處的這個宇宙，探究宇宙的命運。近年來，越來越多的科學家相信，決定我們這個宇宙命運的，是一種神秘的暗物質。可是，雖然暗物質的存在已經有很強的證據，但暗物質究竟以什么形式存在，怎樣才能在茫茫宇宙中找到它的蹤跡，這些難題卻一直讓科學家頭痛不已。

2008年11月20日，一個由中國、美國、俄羅斯、德國等多國科學家組成的國際研究小組發現，從宇宙空間轟擊地球大氣的高能電子有著令人迷惑的過剩。研究表明，這些來歷不明的高能電子很可能是暗物質湮滅后留下的“足跡”。如果這一成果被進一步證實，我們就能最終揭開籠罩在暗物質之上的神秘面紗了。

現在，無論是在粒子物理學、宇宙學還是天文學中，暗物質都已經成為最重要的課題之一。甚至有人說，如果我們不了解暗物質的性質，就不能說我們已經了解了宇宙。那么，為什么暗物質對宇宙的命運如此重要呢？下面，且讓我們細細道來。

宇宙命運的主宰者

1932年，荷蘭天體物理學家奧爾特在研究太陽附近的銀河系物質密度時意外發現，這一區域所有恒星的質量總和只占計算得到的引力質量的30%～50%。換句話說，在太陽附近有一半以上能產生引力的物質是根本看不見的。這種看不見、摸不著的神秘物質是什么呢？原來，這就是暗物質，是我們這個宇宙命運的主宰者！

我們的宇宙是從一次發生在150億年前的大爆炸開始的。當時，宇宙中所有的物質都集中在一個點上。在大爆炸之后，它開始向外膨脹，物質由小微粒聚集成團，最終形成星系、恒星和行星等，從而產生了我們現在所看到的宇宙。

那么，這個宇宙會永遠存在嗎？它的最終“歸宿”會是什么呢？這些問題的答案取決于宇宙中的萬有引力與大爆炸產生的排斥作用之比，或者說，取決于宇宙中的物質平均密度與一個臨界密度之比。如果宇宙中物質的平均密度小于臨界密度，宇宙就會一直膨脹下去，永無止境，這稱為“開宇宙”；要是宇宙的物質平均密度大于臨界密度，膨脹過程就會在某個時刻停下來，然后開始收縮，直到在一次大坍縮中宣告消亡，這就是“閉宇宙”。當然，如果二者剛好相等，這時的宇宙就是一個無所謂收縮或者膨脹的無限平直的時空了。

正是在這里，暗物質登場了。由于它在宇宙總質量中的比例遠遠超過普通物質，而且分布也比普通物質大得多，因此，決定我們這個宇宙的未來究竟是會永遠膨脹還是會先膨脹再收縮的關鍵因素，不是那些遍布蒼穹的星系和星系團，而是暗物質。

暗物質不僅主宰了宇宙的未來命運，它還影響了宇宙結構的形成，影響了人類的出現。科學家發現，在宇宙的最早期，暗物質對星系、星團和其他大型結構的形成起著至關重要的作用。恒星和星系之所以能夠在宇宙年齡只有幾億年時形成，關鍵在于宇宙中的物質密度不是嚴格均勻的，而這就是暗物質的功勞。打個形象的比方，暗物質就像一種“黏膠”，將整個宇宙結構會聚到一起。如果沒有暗物質的存在，宇宙中就沒有足夠的質量使得物質聚集成形，就不會形成星系、恒星和行星，也就更談不上今天的人類了。

發現暗物質的“兒子”

有意思的是，雖然暗物質的存在已經有很強的證據，我們甚至連暗物質在宇宙中如何分布都已經相當了解，但是，對于暗物質到底是什么這個最基本的問題，我們卻幾乎一無所知，甚至連暗物質粒子只有一種還是有幾種都回答不出來！

之所以會出現這種怪事，原因非常簡單：暗物質是一種看不見、摸不著的奇特物質。它既不發光，也不輻射其他波段的電磁波，甚至也不輻射其他輕粒子，因此，要直接發現它的芳蹤，就成了一件非常困難的事。

于是，科學家轉而求其次，試圖通過各種方法來尋找暗物質與其他粒子反應后的產物，其中的一種方式就是探測暗物質湮滅后產生的高能電子。與質子、中子等普通物質粒子一樣，暗物質粒子也存在反粒子。一旦暗物質粒子和自身的反物質粒子發生碰撞，它們就會湮滅，并產生大量的高能電子。因此，如果我們能夠發現這些暗物質粒子碰撞后產生的“兒子”，即高能電子，就能夠證明暗物質的存在了。

可是，觀測宇宙高能電子是件非常困難的事情，因為它的流量非常弱，甚至只有宇宙線本底流量的1‰～1%。要看到如此微弱的粒子流，需要借助昂貴的空間磁譜儀。這種方法不但技術復雜，而且代價昂貴，很難用它來尋找暗物質存在的證據。

南極氣球傳佳音

20世紀90年代，美國科學家發起了一個ATIC（先進薄電離量能器）項目，準備在南極上空放飛氣球，利用氣球上攜帶的探測器來捕捉宇宙空間的高能宇宙線粒子。在夏季，南極上空有著一種獨特的大氣環境——“旋風”。由于地球引力的存在，在那里放飛的氣球能夠升得很高，卻往往不會飄得太遠，可以在數周后從幾乎相同的地點將它們回收。因此，各國科學家都在南極利用放飛氣球探測器的手段，來研究超高能宇宙線粒子的性質。

中國紫金山天文臺研究員常進多年來一直在從事空間高能粒子的探測工作。他發現，只要把ATIC的設備稍加改造，就能夠用來觀測高能電子和伽馬射線。這一設想被ATIC接受了。2000年年底至2001年年初，經過改造的重達2噸的ATIC探測器在南極正式升空，并進行了第一次試觀測，結果表明它可以同時觀測高能電子和伽馬射線。這是世界上首次對高能電子進行高分辨觀測。

以往科學界普遍認為，太陽系附近的高能電子主要來源于超新星遺跡，科學家為此還建立了太陽系高能電子流量模型。可ATIC的觀測數據表明，宇宙高能電子流量在300Gev～800Gev，能量區間的流量遠遠超過預計值。顯然，高能電子還有著別的起源！

不明來源的高能電子究竟來自何處？經過分析，ATIC研究組發現，觀測結果與目前暗物質理論中的克魯扎—克萊因模型吻合得很好。也就是說，這些不明來源的高能粒子很有可能是暗物質粒子湮滅時所產生的。

這個發現讓研究團隊激動不已。為了獲得更翔實的數據，在此后的7年里，研究小組分別在2002年、2005年和2007年進行了三次觀測，雖然2005年的觀測因為氣球本身的原因沒有成功，但他們還是在3000余萬個宇宙線粒子中找到了210個高能電子。更讓人驚喜的是，不但這些高能電子的能譜流量與暗物質理論的預言吻合，所得到的低能參數也與歐洲和俄羅斯耗費數億美元研制的、專門用于尋找暗物質粒子湮滅證據的磁譜儀探測器PAMELA得到的結果完全吻合。這表明，這些不明來源的高能電子極有可能是暗物質粒子湮滅時產生的。而且，如果我們能夠獲得進一步的觀測數據，就可以基本確定暗物質粒子的物理性質。

ATIC研究組的這一重大成果，立刻引起了國際科學界的廣泛關注。除《自然》雜志刊登了以常進領銜的研究論文之外，美國的《科學》、英國的《新科學家》等學術期刊以及各大國際媒體，都對這一發現進行了充分的報道。因為這個結果一旦被證實，就意味著人類首次發現了暗物質存在的形式，這將是現代天體物理學的一次突破性成就。

當然，現在就斷言我們已經發現了暗物質的存在形式也許還為時太早。不過，還是有科學家樂觀地預言：“對暗物質的尋找是數十年來宇宙學的中心任務，這個任務可能很快就會完成了。”這個預言是否能夠實現，且讓我們拭目以待吧。