揭秘宇宙謎團(tuán)之暗物質(zhì)

王治鈞

2019年TED和美國(guó)國(guó)家科學(xué)院的聯(lián)合活動(dòng)邀請(qǐng)了斯坦福大學(xué)物理學(xué)家里薩·韋克斯勒（Risa? Wechsler）分享了關(guān)于暗物質(zhì)的研究，里薩是SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的粒子物理和天體物理學(xué)教授，兼卡夫利粒子天文物理學(xué)和宇宙學(xué)研究所的所長(zhǎng)。在演講中里薩解釋了為什么暗物質(zhì)可能是理解宇宙形成的關(guān)鍵因素，并分享了世界各地實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家們?nèi)绾翁岢隽藙?chuàng)造性的研究方法。

暗物質(zhì)——宇宙的主宰

中國(guó)古代將金、木、水、火、土作為基本元素，以此來(lái)研究世界萬(wàn)物的形成及其相互關(guān)系。隨著近現(xiàn)代科技水平的進(jìn)步，人類(lèi)逐漸知道宇宙物質(zhì)由分子、原子、質(zhì)子等微粒組成，這些物質(zhì)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(zhì)”只占全宇宙所有物質(zhì)的15%，而其余85%的物質(zhì)不會(huì)被吸收或發(fā)射光線，我們用肉眼無(wú)法觀察它們，也幾乎無(wú)法用電磁波或其他任何的可見(jiàn)光探測(cè)它們，這就是暗物質(zhì)。暗物質(zhì)是抽象的、難以想象的，但暗物質(zhì)就在我們身旁。

了解暗物質(zhì)對(duì)人類(lèi)的作用，首先要了解銀河系的起源。

宇宙大爆炸后不到一秒的時(shí)刻，宇宙膨脹得非常迅速，所有的物質(zhì)都是在這個(gè)時(shí)候創(chuàng)造的。大約在大爆炸發(fā)生的40萬(wàn)年以后，宇宙溫度高，密度大，很平滑，但是物質(zhì)質(zhì)量分布不均勻。這個(gè)過(guò)程中暗物質(zhì)發(fā)揮了很重要的引力作用，使這些質(zhì)量不夠重的點(diǎn)聚集到一起。

有暗物質(zhì)的宇宙，質(zhì)量聚集增加得很快，更容易形成星系，缺乏暗物質(zhì)的宇宙只有很小的塊狀物質(zhì)，只會(huì)保持原有的狀態(tài)，改變也會(huì)相對(duì)較小。所以說(shuō)暗物質(zhì)決定了宇宙中星系的起源、形成與演化，在缺失暗物質(zhì)的宇宙環(huán)境里，自引力系統(tǒng)很難形成，不會(huì)出現(xiàn)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(huì)有人類(lèi)或者其他生命體出現(xiàn)。所以說(shuō)暗物質(zhì)是宇宙的主宰，沒(méi)有它我們將不復(fù)存在。

探測(cè)暗物質(zhì)的“三大法寶”

大多數(shù)的物理學(xué)家認(rèn)為暗物質(zhì)是一種粒子，在很多方面與我們所知的亞原子很像，比如質(zhì)子、中子和電子。物理學(xué)家和天文學(xué)家嘗試多個(gè)方法去尋找看不到的暗物質(zhì)粒子，目前探測(cè)暗物質(zhì)的方法有3種，比如地下實(shí)驗(yàn)室的探測(cè)器、地面或太空探測(cè)器以及通過(guò)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）創(chuàng)造出暗物質(zhì)粒子。

直接探測(cè)：極深的地下

實(shí)驗(yàn)室

美國(guó)斯坦福大學(xué)物理學(xué)家里薩·韋克斯勒（Risa Wechsler）

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(xiàn)隱身其中的暗物質(zhì)粒子，就如同從熙熙攘攘的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)中探聽(tīng)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(xué)家們通常會(huì)利用極深地下實(shí)驗(yàn)室，這是開(kāi)展重大基礎(chǔ)前沿物理實(shí)驗(yàn)研究的一種極佳環(huán)境。

多個(gè)國(guó)家利用礦井和隧道深坑實(shí)驗(yàn)室建造了靈敏的暗物質(zhì)探測(cè)器，等待穿過(guò)地球的暗物質(zhì)粒子撞擊密度更大的物質(zhì)，希望可以從中找到暗物質(zhì)的蛛絲馬跡。

中國(guó)四川錦屏山暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室處于地下2400多米，是世界最深實(shí)驗(yàn)室，可以屏蔽大量宇宙射線的干擾，如果足夠幸運(yùn)，實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)器能捕獲到暗物質(zhì)粒子穿過(guò)巖石的痕跡。錦屏山實(shí)驗(yàn)室在一期建成投入使用后，科學(xué)家們已經(jīng)取得了一系列研究成果，排除了一些暗物質(zhì)的研究方向，縮小了研究范圍。二期工程將會(huì)安裝更強(qiáng)大的噸量級(jí)超級(jí)探測(cè)器，可以更靈敏地探測(cè)暗物質(zhì)顆粒。

銀河系

間接探測(cè)：太空探測(cè)器探測(cè)暗物質(zhì)

如果說(shuō)地下實(shí)驗(yàn)主要進(jìn)行的是暗物質(zhì)直接探測(cè)，是探測(cè)暗物質(zhì)粒子與普通物質(zhì)之間的碰撞過(guò)程，那么太空空間儀器就是一種間接探測(cè)，和地面直接探測(cè)所基于的物理假設(shè)區(qū)別很大，是一種互補(bǔ)關(guān)系。

物理學(xué)家們認(rèn)為，暗物質(zhì)粒子碰撞后會(huì)產(chǎn)生高能粒子，暗物質(zhì)衛(wèi)星探測(cè)器就是嘗試去精確探測(cè)這些粒子，通過(guò)其能譜、空間分布來(lái)尋找暗物質(zhì)粒子存在的證據(jù)。

利用極深地下實(shí)驗(yàn)室屏蔽掉嘈雜的各種宇宙粒子

目前國(guó)際上最著名的幾個(gè)暗物質(zhì)探測(cè)器包括美國(guó)費(fèi)米衛(wèi)星、阿爾法磁譜儀AMS-02和中國(guó)的“悟空”。三者各有特色，“悟空”在觀測(cè)能段范圍、能量分辨率、粒子鑒別本領(lǐng)等方面有很大優(yōu)勢(shì)，特別適合尋找暗物質(zhì)粒子湮滅過(guò)程中產(chǎn)生的一些非常尖銳的能譜信號(hào)。因?yàn)檫@個(gè)探測(cè)器有308根縱橫交錯(cuò)的“水晶棒”，每一根都有2.5厘米見(jiàn)方、60厘米長(zhǎng)，是世界上最長(zhǎng)的鍺酸鉍晶體，這些漂亮的“水晶棒”能夠測(cè)量入射粒子的能量。

加速器碰撞探測(cè)暗物質(zhì)粒子

科學(xué)家們也嘗試?yán)萌鹗康拇笮蛷?qiáng)子對(duì)撞機(jī)將粒子撞擊在一起，看是否能產(chǎn)生暗物質(zhì)。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(guò)高速碰撞產(chǎn)生出多種粒子，包括暗物質(zhì)粒子。然而，即使采用最強(qiáng)大的粒子加速器至今也未能發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的跡象，原因之一可能是現(xiàn)有的加速器功率、速度還未達(dá)到理想值。

瑞士的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）是世界上最大的粒子對(duì)撞機(jī)，如今已經(jīng)進(jìn)入暮年，科學(xué)家們希望設(shè)計(jì)推出一款更強(qiáng)大的粒子加速器，歐洲核子研究中心（CERN）就計(jì)劃在瑞士日內(nèi)瓦地下隧道中再建造一個(gè)長(zhǎng)達(dá)100千米的圓形超級(jí)對(duì)撞機(jī)，質(zhì)子對(duì)撞的能量將是當(dāng)前老對(duì)撞機(jī)LHC的6倍，以此來(lái)推動(dòng)高能物理學(xué)的前沿研究。

對(duì)于暗物質(zhì)探索一線的科學(xué)家來(lái)說(shuō)，尋找一種充滿未知的物質(zhì)，不管是地面還是太空，都需要更多不同類(lèi)型探測(cè)器收集更多數(shù)據(jù)，排除更多理論假說(shuō)，才可能找到認(rèn)識(shí)暗物質(zhì)的正確方向。目前為止，上述的這些探測(cè)研究都或多或少已取得一定進(jìn)展，排除了一些疑似暗物質(zhì)的情況，但這些觀察依然沒(méi)有辦法明確什么是暗物質(zhì)，路漫漫其修遠(yuǎn)兮，科學(xué)家們?nèi)匀辉谏舷虑笏鳎θふ掖鸢浮?h3>利用暗物質(zhì)“巡天”

如果沒(méi)有暗物質(zhì)，我們的銀河系將不復(fù)存在。這些星系如何在宇宙中變化、分布、移動(dòng)都和暗物質(zhì)有關(guān)，因此，我們可以通過(guò)對(duì)星系的觀察來(lái)檢驗(yàn)研究暗物質(zhì)的一些預(yù)測(cè)。

太空探測(cè)器

首先科學(xué)家可以用星系繪制宇宙圖。“暗能量調(diào)查項(xiàng)目”繪制了迄今為止最大的宇宙圖，測(cè)量跨越八分之一天空的近1億個(gè)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(zhì)，是由這1億個(gè)星系扭曲的光線推斷出來(lái)的。光線在穿過(guò)這些星系和我們地球之間的物質(zhì)時(shí)發(fā)生了扭曲——物質(zhì)的引力足夠強(qiáng)可以彎曲光路。

這種類(lèi)型的巡天圖可以告訴我們暗物質(zhì)的數(shù)量，也可以告訴我們暗物質(zhì)的大致位置以及其隨時(shí)間的變化，從而進(jìn)一步了解宇宙的構(gòu)成。

另外，宇宙中最微小的星系也提供了一些好的線索。

暗物質(zhì)可以分成熱暗物質(zhì)（HDM），溫暗物質(zhì)（WDM）和冷暗物質(zhì)（CDM）。溫暗物質(zhì)運(yùn)動(dòng)比較快，冷暗物質(zhì)運(yùn)動(dòng)緩慢。溫暗物質(zhì)粒子運(yùn)動(dòng)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(zhì)會(huì)減少，因此在這些小塊暗物質(zhì)中的衛(wèi)星星系數(shù)量也會(huì)減少。于是通過(guò)測(cè)量衛(wèi)星星系的數(shù)量，科學(xué)家可以區(qū)分這些暗物質(zhì)的類(lèi)型。

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)

如果在晴朗天氣下仰望南方的夜空，我們能看到兩個(gè)真實(shí)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(guò)去的幾年中，科學(xué)家利用制作宇宙圖所用的暗能量檢測(cè)發(fā)現(xiàn)了很多非常小的星系，有的只包含有幾百顆恒星，相對(duì)于我們銀河系的幾千億顆來(lái)說(shuō)，這種小星云很難找到。

現(xiàn)在我們知道有60個(gè)小星系正在繞著銀河系旋轉(zhuǎn)，這些小家伙是暗物質(zhì)的重要線索，這些星系的存在就告訴我們：暗物質(zhì)不可能很快移動(dòng)，當(dāng)碰到正常物質(zhì)時(shí)暗物質(zhì)不會(huì)發(fā)生太多改變。

當(dāng)代粒子物理及天體物理領(lǐng)域里暗物質(zhì)是一個(gè)很熱門(mén)的研究領(lǐng)域。在未來(lái)科學(xué)家們將制作更加精確的巡天圖，完善我們對(duì)整個(gè)銀河系和宇宙的理解。暗物質(zhì)仍然是一個(gè)巨大的謎，但它的研究過(guò)程更加讓人激動(dòng)。隨著科技水平的提高，這項(xiàng)研究將更加深入，人類(lèi)將逐漸揭開(kāi)謎團(tuán)，這可能讓我們對(duì)物理學(xué)理論有全新的理解，并從中探究人類(lèi)在宇宙中的位置。