暗物質(zhì)是什么？

神秘的暗物質(zhì)

從字面上理解，那些黑暗、不發(fā)光的物質(zhì)都可以叫暗物質(zhì)。在歷史上，有很多這樣的“暗物質(zhì)”。

1844年，德國天文學(xué)家貝塞爾觀察天狼星的運(yùn)動(dòng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)它的軌跡呈波浪形。他猜想，可能有一顆看不見的星星與天狼星組成雙星系統(tǒng)。這顆看不見的星星在當(dāng)時(shí)可以被視為那個(gè)時(shí)代的“暗物質(zhì)”。后來，隨著望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)能力的提升，人們發(fā)現(xiàn)了一顆叫天狼 B的白矮星，它是天狼星的伴星。另一個(gè)例子是海王星的發(fā)現(xiàn)。當(dāng)時(shí)人們發(fā)現(xiàn)天王星的軌道有些異常，英國的亞當(dāng)斯和法國的勒威耶提出在天王星軌道外還有一顆大行星。后來，人們將望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)預(yù)測(cè)的天區(qū)，發(fā)現(xiàn)了海王星。

這些曾被認(rèn)為是暗物質(zhì)的天體，在觀測(cè)手段改進(jìn)后，被證實(shí)是一些表現(xiàn)暗弱的普通天體。但是現(xiàn)在科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，宇宙里確實(shí)存在一種真正的暗物質(zhì)。暗物質(zhì)的證據(jù)來自對(duì)星體運(yùn)動(dòng)的測(cè)量。在太陽系中，行星繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)的速度隨著距離的增加而減小，這完全符合開普勒定律。然而，當(dāng)我們觀察像M33這樣的星系時(shí)，發(fā)現(xiàn)越往外的天體繞星系中心轉(zhuǎn)動(dòng)的速度反而越快。這與理論預(yù)測(cè)完全不同。為了解釋這種現(xiàn)象，科學(xué)家推測(cè)在那些黑暗、不發(fā)光的區(qū)域存在暗物質(zhì)。這就是現(xiàn)代意義上通過天文學(xué)觀測(cè)間接發(fā)現(xiàn)的宇宙中的暗物質(zhì)。

有人可能會(huì)問，如果我們的觀測(cè)能力提高，這些暗物質(zhì)是否也會(huì)變成明物質(zhì)？科學(xué)家也在思考這個(gè)問題。但是經(jīng)過大量研究發(fā)現(xiàn)，這些暗物質(zhì)的物理性質(zhì)與普通物質(zhì)完全不同：即使用更大的望遠(yuǎn)鏡、更精確的觀測(cè)設(shè)備，也無法直接“看到”暗物質(zhì)。這就是暗物質(zhì)神秘的地方。

宇宙的標(biāo)準(zhǔn)模型

基于大量的天文學(xué)觀測(cè)，科學(xué)家建立了宇宙的標(biāo)準(zhǔn)模型。根據(jù)這個(gè)模型，宇宙始于約137億年前的一次大爆炸，目前宇宙還在膨脹。宇宙的成分是這樣的：普通物質(zhì)約占5%，暗物質(zhì)約占25%，還有約70% 是性質(zhì)更為奇特的暗能量。

換句話說，人類過去幾千年的探索實(shí)際上只觸及了宇宙約5%的內(nèi)容，剩下約95%的宇宙對(duì)我們來說還是完全未知的。科學(xué)家通過計(jì)算機(jī)模擬給出的宇宙中暗物質(zhì)的分布圖像，雖然不一定絕對(duì)準(zhǔn)確，但它展示了我們目前對(duì)暗物質(zhì)分布的理解。

無處不在，卻難以捕捉

既然宇宙中有這么多暗物質(zhì)，為什么我們?cè)谌粘Ｉ钪懈惺懿坏侥?？這是因?yàn)榘滴镔|(zhì)的分布非常稀疏。如果我們把整個(gè)地球這么大體積里的暗物質(zhì)加起來，總質(zhì)量只有約0.5千克。因此我們?cè)谌粘Ｉ钪懈惺懿坏桨滴镔|(zhì)的存在。但是，如果我們把視野放大到銀河系，情況就不同了。銀河系中的暗物質(zhì)質(zhì)量是恒星和氣體物質(zhì)總質(zhì)量的10倍左右。

雖然密度很低，但這些暗物質(zhì)粒子都在快速運(yùn)動(dòng)，速度大約是每秒數(shù)百千米，與太陽系在銀河系中的速度相當(dāng)。據(jù)估算，每秒鐘約有1 億個(gè)暗物質(zhì)粒子穿過我們的身體。不過不用擔(dān)心，因?yàn)榘滴镔|(zhì)粒子幾乎不與普通物質(zhì)發(fā)生相互作用，我們感受不到它們的存在。

暗物質(zhì)的本質(zhì)

那么，暗物質(zhì)到底是什么？這是目前科學(xué)研究最關(guān)心的問題之一。根據(jù)我們對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)，普通物質(zhì)是由基本粒子構(gòu)成的。原子由原子核和電子構(gòu)成，原子核又由質(zhì)子和中子構(gòu)成，質(zhì)子和中子還可以分解成夸克。目前，夸克是我們所知的最基本的物質(zhì)層次。然而，在已知的粒子中，沒有一種可以合理地解釋觀察到的暗物質(zhì)的性質(zhì)。因此，科學(xué)家猜測(cè)暗物質(zhì)很可能是一種全新的、我們目前完全不了解的粒子。

三種探測(cè)方法

為了探測(cè)暗物質(zhì)，科學(xué)家采用了三種方法。

地下直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)是各國科技競爭的前沿陣地。全世界有很多這樣的實(shí)驗(yàn)正在進(jìn)行。我國在四川西昌錦屏山隧道下創(chuàng)建了兩個(gè)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)：清華大學(xué)牽頭的“盤古”實(shí)驗(yàn)和上海交通大學(xué)牽頭的“熊貓”實(shí)驗(yàn)。這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的靈敏度已經(jīng)達(dá)到了世界先進(jìn)水平。

在間接探測(cè)方面，我國于2015年發(fā)射了暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”號(hào)。2021年7月，四川稻城的高海拔宇宙線觀測(cè)站（“拉索”）建成，該觀測(cè)站也可以用來間接探測(cè)暗物質(zhì)。

此外，由諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者丁肇中教授領(lǐng)導(dǎo)的阿爾法磁譜儀實(shí)驗(yàn)，也在國際空間站上進(jìn)行暗物質(zhì)探測(cè)。在空間站的宇宙線實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家觀察到了一些反?，F(xiàn)象。例如，阿爾法磁譜儀和“悟空”號(hào)衛(wèi)星都測(cè)量到了一些目前難以解釋的數(shù)據(jù)。有些科學(xué)家提出用暗物質(zhì)來解釋這些數(shù)據(jù)，但也有人持不同意見，認(rèn)為可能有其他解釋。

遺憾的是，盡管科學(xué)家進(jìn)行了幾十年的探索，暗物質(zhì)探測(cè)的進(jìn)展仍然較遲緩。在地下直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)和粒子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)中，還沒有看到暗物質(zhì)存在的明確跡象。

這些結(jié)果表明，暗物質(zhì)的探測(cè)是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的工作。為了取得突破，我們需要繼續(xù)改進(jìn)觀測(cè)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

探測(cè)暗物質(zhì)，中國有重器

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國有機(jī)會(huì)建造一些世界級(jí)的天文設(shè)備。其中，貴州平塘的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）是世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡。此外，河北興隆的郭守敬望遠(yuǎn)鏡、青海德令哈的毫米波望遠(yuǎn)鏡、四川稻城的高海拔宇宙線觀測(cè)站、云南麗江和青海冷湖的光學(xué)天文觀測(cè)設(shè)施，以及部署在南極冰穹上的望遠(yuǎn)鏡等，這些設(shè)備為我們探索宇宙提供了強(qiáng)大主力。

在空間天文方面，我國也取得了長足進(jìn)展。從20 世紀(jì)70年代的高空氣球?qū)嶒?yàn)，到20世紀(jì)90年代開始的載人航天工程，再到2000年以來的嫦娥探月工程，我國的空間天文發(fā)展進(jìn)入了快車道。2015年“悟空”號(hào)衛(wèi)星發(fā)射后，我國又陸續(xù)發(fā)射了“慧眼”衛(wèi)星、“極目”衛(wèi)星、“先進(jìn)天基太陽天文臺(tái)”衛(wèi)星等。2024年，我國還發(fā)射了愛因斯坦探針衛(wèi)星和中法合作的 SVOM衛(wèi)星。未來，有望在我國空間站上建設(shè)大型的巡天望遠(yuǎn)鏡。

中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室（CJPL）

若是在地上開展暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)，探測(cè)器接收到的信號(hào)會(huì)淹沒在宇宙射線的信號(hào)中，研究人員無法分辨。

中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室是目前世界上巖石覆蓋最深的深地實(shí)驗(yàn)室，對(duì)宇宙線μ子具有良好的屏蔽作用，具有極低的宇宙線通量，因此適用于開展對(duì)稀有物理事件的探測(cè)實(shí)驗(yàn)。

中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室垂直巖石覆蓋厚度達(dá)到 2400米，為世界最深，而且可以開車直接進(jìn)入，交通便捷，綜合條件可謂世界一流。

深地實(shí)驗(yàn)室的低宇宙線強(qiáng)度和低輻射本底等特性有利于暗物質(zhì)探測(cè)。

暗物質(zhì)是冷的還是熱的？

科學(xué)家將暗物質(zhì)分為冷暗物質(zhì)、溫暗物質(zhì)和熱暗物質(zhì)。暗物質(zhì)還有溫度？其實(shí)，這里的冷、溫和熱，描述的是暗物質(zhì)粒子在早期宇宙中的運(yùn)動(dòng)速度，而非真實(shí)溫度?？茖W(xué)家可以利用模型模擬出不同類型暗物質(zhì)作用下宇宙物質(zhì)的分布，從而推斷暗物質(zhì)的“冷熱”。

現(xiàn)象、規(guī)律和理論

讓我們來看看科學(xué)研究一般遵循的三個(gè)步驟：發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象、總結(jié)規(guī)律、提出理論。

例如，第谷通過大量的天體觀測(cè)積累了豐富的數(shù)據(jù)。他的學(xué)生開普勒在這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出了行星運(yùn)動(dòng)三定律。后來，牛頓提出萬有引力理論，解釋了為什么行星會(huì)按照開普勒定律運(yùn)動(dòng)。

另一個(gè)例子是宇宙學(xué)中的紅移現(xiàn)象?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，遙遠(yuǎn)天體發(fā)出的光譜線普遍向紅端移動(dòng)，這就是紅移現(xiàn)象。美國天文學(xué)家哈勃在此基礎(chǔ)上提出了哈勃定律，指出越遠(yuǎn)的天體退行速度越快。后來，美國宇宙學(xué)家伽莫夫等人提出了宇宙大爆炸理論，解釋了為什么會(huì)出現(xiàn)哈勃定律描述的現(xiàn)象。

暗物質(zhì)研究可能也會(huì)遵循類似的路徑。我們已經(jīng)觀察到了許多天體系統(tǒng)中的引力異?，F(xiàn)象，并總結(jié)出了一些規(guī)律?，F(xiàn)在，我們可能正在進(jìn)行第二步。至于第三步，我們能否提出新的理論來解釋暗物質(zhì)的本質(zhì)，還有待探索。

暗物質(zhì)問題是當(dāng)前最重大的科學(xué)問題之一。對(duì)其本質(zhì)的認(rèn)識(shí)必將帶來新一輪的科學(xué)革命。然而，盡管暗物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)已有近百年歷史，但從實(shí)驗(yàn)上探測(cè)暗物質(zhì)仍是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)的任務(wù)。這可能需要再花費(fèi)一百年，甚至更長的時(shí)間，需要幾代人的艱苦努力，才有可能最終揭開暗物質(zhì)的神秘面紗。