揭秘宇宙的“黑暗面”

張唯誠(chéng)

美國(guó)天文學(xué)家卡爾·薩根曾說(shuō)：“我們是由恒星物質(zhì)組成的?！币馑际钦f(shuō)，無(wú)論是恒星，還是地球、月亮，亦或是一個(gè)人、一條狗，都是由同樣的物質(zhì)組成的，如碳、氫、氧……但近幾十年來(lái)，天文學(xué)家認(rèn)為，宇宙中并非僅僅存在“恒星物質(zhì)”，還有一些東西似乎在用一種出乎意料的方式影響星系運(yùn)動(dòng)，它們構(gòu)成了“宇宙的黑暗面”，被稱為暗物質(zhì)和暗能量。由于無(wú)法直接看見(jiàn)，天文學(xué)家不得不研究暗物質(zhì)和暗能量對(duì)恒星和星系的影響，所以還是得觀測(cè)那些看得見(jiàn)的恒星和星系。

2017年年初，美國(guó)國(guó)家航空航天局的錢(qián)德拉X射線太空望遠(yuǎn)鏡捕捉到一束不尋常的X射線輻射，被認(rèn)為有可能是暗物質(zhì)粒子發(fā)生衰變時(shí)產(chǎn)生的X射線信號(hào)。此前，類似發(fā)現(xiàn)也出現(xiàn)過(guò)，有時(shí)是X射線輻射，有時(shí)是伽馬射線輻射，但均未被此后的研究證實(shí)它們真的來(lái)自暗物質(zhì)的衰變或者湮滅。

人們現(xiàn)在已經(jīng)知道，在宇宙中，暗物質(zhì)的占有量位居第二，而暗能量居第一，最后才是我們熟悉的恒星物質(zhì)，它們只占宇宙物質(zhì)總質(zhì)量的不足5%。假若我們信奉“眼見(jiàn)為實(shí)”，那么絕大部分宇宙我們就無(wú)法相信了。這樣的現(xiàn)實(shí)成就了現(xiàn)代科學(xué)中最大的疑問(wèn)：我們的宇宙究竟是什么？除了已知粒子外，宇宙中究竟還有什么？

現(xiàn)在，全世界的物理學(xué)家都想發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子，也想了解暗能量。他們?cè)诘叵聦?shí)驗(yàn)室里做實(shí)驗(yàn)，他們用功能強(qiáng)大的太空望遠(yuǎn)鏡獲取數(shù)據(jù)。一場(chǎng)破解“宇宙黑暗面”之謎的大競(jìng)賽正在如火如荼地進(jìn)行著。

暗物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)

我們知道，物體的質(zhì)量越大，引力便越大。正是由于引力的存在，地球才會(huì)圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)，而不是脫離太陽(yáng)直接飛走；同樣是引力，也讓科學(xué)家意識(shí)到了暗物質(zhì)的存在。

1933年，美國(guó)加州理工學(xué)院的天體物理學(xué)家弗里茨·茲威基研究了一個(gè)遙遠(yuǎn)的星系團(tuán)—后發(fā)座星系團(tuán)。這個(gè)星系團(tuán)中的所有星系都因引力的作用而聚在一起。茲威基計(jì)算發(fā)現(xiàn)，僅靠星系團(tuán)中可見(jiàn)部分的質(zhì)量根本就無(wú)法解釋星系團(tuán)的運(yùn)動(dòng)，除非把這個(gè)質(zhì)量擴(kuò)大100多倍。茲威基推測(cè)，一定有某些看不見(jiàn)的東西在那里，這種看不見(jiàn)的東西沒(méi)有確切的名字，他稱之為“暗物質(zhì)”。

隨著時(shí)間的推移，越來(lái)越多有關(guān)暗物質(zhì)存在的證據(jù)出現(xiàn)了。20世紀(jì)70年代，天文學(xué)家觀測(cè)到有些星系的旋轉(zhuǎn)方式很奇特，這種奇怪的運(yùn)動(dòng)只能用暗物質(zhì)的影響來(lái)解釋。他們還發(fā)現(xiàn)，宇宙中星系的總質(zhì)量確實(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于星系中可見(jiàn)星體質(zhì)量的總和，這也為暗物質(zhì)理論提供了重要依據(jù)。

探索暗物質(zhì)的本質(zhì)

美國(guó)太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所的丹·科主持了一項(xiàng)針對(duì)“阿貝爾1689”的星系團(tuán)的研究。這個(gè)星系團(tuán)距離地球22億光年。由于大量暗物質(zhì)的存在，巨大的引力使它宛若一個(gè)宇宙中的“放大鏡”，它背后遙遠(yuǎn)星系發(fā)出的光都被這個(gè)“放大鏡”扭曲和放大了，這就是“引力透鏡”現(xiàn)象。這種現(xiàn)象有點(diǎn)類似哈哈鏡，它把現(xiàn)實(shí)中的景物改變和增強(qiáng)了。你還可以想象光線穿過(guò)水杯或者水池時(shí)發(fā)生彎曲的情形。正是這些變形的影像為天文學(xué)家推測(cè)星系團(tuán)中的暗物質(zhì)提供了線索，從而讓丹·科等人標(biāo)示出了其中暗物質(zhì)的分布情況。

然而，證明暗物質(zhì)的存在并不等于有關(guān)暗物質(zhì)的問(wèn)題就解決了，科學(xué)家還必須找到組成暗物質(zhì)的粒子，而這項(xiàng)工作更加困難，迄今收效甚微。盡管人們?cè)O(shè)計(jì)了很多實(shí)驗(yàn)，但多局限在“排除法”，即用各種實(shí)驗(yàn)排除一些暗物質(zhì)的“候選者”，但尚未能主動(dòng)地捕捉到暗物質(zhì)粒子。

普通物質(zhì)由質(zhì)子、中子和電子組成，稱為“重子物質(zhì)”，而暗物質(zhì)則屬于非重子物質(zhì)。它們的行為很不平常。想象一下，數(shù)以億計(jì)的暗物質(zhì)粒子正在穿透你的身體，它們運(yùn)動(dòng)得非?？?，接近90萬(wàn)千米每小時(shí)；它們穿越原子，仿佛那些原子根本就不存在；暗物質(zhì)粒子不反光，它們對(duì)電流和磁場(chǎng)也毫無(wú)反應(yīng)。

尋找暗物質(zhì)粒子

科學(xué)家想出了很多理論去解釋暗物質(zhì)，也想出了很多辦法尋找暗物質(zhì)粒子。隨著研究和實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，有的“候選者”被排除了，例如中微子。盡管中微子的存在已被證實(shí)，但科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，中微子不足以彌補(bǔ)宇宙中缺失的質(zhì)量，所以中微子無(wú)助于破解暗物質(zhì)的奧秘。

另一種未被排除的粒子名為中性子，是一種“弱相互作用大質(zhì)量粒子”，簡(jiǎn)稱WIMP。它有一些質(zhì)量，但很少和其他粒子在一起。一些科學(xué)家相信，WIMP是暗物質(zhì)粒子最有希望的“候選者”。

目前，科學(xué)家正在依靠高能伽馬射線尋找WIMP。例如使用費(fèi)米伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡捕捉WIMP的蹤跡。費(fèi)米望遠(yuǎn)鏡長(zhǎng)約2.8米，口徑約2.5米。最初被稱作“伽馬射線廣域空間望遠(yuǎn)鏡”，后來(lái)為了紀(jì)念美籍意大利裔物理學(xué)家恩里科·費(fèi)米而改用此名。盡管WIMP不會(huì)和可見(jiàn)光光子發(fā)生作用，但兩者撞在一起時(shí)會(huì)彼此摧毀對(duì)方而產(chǎn)生伽馬射線，這個(gè)過(guò)程被稱為“湮滅”。科學(xué)家認(rèn)為，探測(cè)因“湮滅”而產(chǎn)生的伽馬射線能夠捕捉到WIMP的蛛絲馬跡。

用X射線太空望遠(yuǎn)鏡也可以從事類似的搜尋，前面所述的錢(qián)德拉X射線太空望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到的X射線信號(hào)就是這樣的例子。

極深地下實(shí)驗(yàn)室

尋找暗物質(zhì)粒子也可以在地下進(jìn)行。雖然這些粒子只發(fā)生“弱相互作用”，但它們還是被認(rèn)為能夠偶爾地撞入普通原子的原子核中。于是一些暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)就將目標(biāo)鎖定在發(fā)現(xiàn)這種碰撞上。這樣的實(shí)驗(yàn)要在地下進(jìn)行，目的是避免受到其他粒子的污染。

在美國(guó)明尼蘇達(dá)州的一個(gè)礦井下，一項(xiàng)名為“低溫暗物質(zhì)搜尋”（簡(jiǎn)稱CDMS）的計(jì)劃正在進(jìn)行當(dāng)中。其原理是：當(dāng)暗物質(zhì)粒子撞擊CDMS探測(cè)器中的一個(gè)原子核時(shí)，會(huì)引起原子核的震動(dòng)，從而讓科學(xué)儀器探測(cè)到。除美國(guó)外，英國(guó)、法國(guó)、意大利、日本等國(guó)也都建立了自己的地下實(shí)驗(yàn)室，這些實(shí)驗(yàn)室位于地下幾百米到一兩千米的地方，實(shí)驗(yàn)設(shè)備和生活設(shè)施一應(yīng)俱全。

2010年12月12日，我國(guó)首個(gè)極深地下實(shí)驗(yàn)室—中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室在四川雅礱江錦屏水電站正式投入使用，它的垂直巖石覆蓋達(dá)2400米，是世界一流的潔凈低輻射極深地下實(shí)驗(yàn)室。有了這個(gè)實(shí)驗(yàn)室，科學(xué)家便有了一個(gè)探測(cè)和研究暗物質(zhì)的平臺(tái)，他們可以自主地開(kāi)展暗物質(zhì)粒子的搜尋和研究工作，還可以進(jìn)行其他國(guó)際前沿基礎(chǔ)學(xué)科的研究。

迄今為止，暗物質(zhì)粒子存在的證據(jù)依然缺乏。所以，有科學(xué)家開(kāi)始懷疑暗物質(zhì)的存在，其中一種觀點(diǎn)認(rèn)為，在宇宙的尺度上，引力的法則有可能和我們?cè)诘厍蛏系睦斫獠灰粯?，在那樣的尺度下，人們發(fā)現(xiàn)的所謂暗物質(zhì)也許只是引力表現(xiàn)出的另一種不同形式而已。

暗物質(zhì)的對(duì)立面—暗能量

暗物質(zhì)將物質(zhì)束縛在一起，而暗能量則相反，它們將物質(zhì)相互分開(kāi)，很像暗物質(zhì)的對(duì)立面。

天文學(xué)家通過(guò)觀測(cè)一種特殊的超新星發(fā)現(xiàn)了暗能量。這種超新星非常亮，能讓天文學(xué)家在很遠(yuǎn)的地方看到它們，而且它們的亮度還非常一致。科學(xué)家通過(guò)對(duì)其研究，能了解宇宙在以怎樣的方式膨脹。

根據(jù)現(xiàn)有理論，宇宙產(chǎn)生于一次大爆炸，這意味著，絕大多數(shù)星系之間的距離會(huì)越來(lái)越大。要理解宇宙的這種運(yùn)動(dòng)，你可以在一只氣球上涂?jī)蓚€(gè)相互鄰近的小點(diǎn)，然后把氣球吹大，這時(shí)你會(huì)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)小點(diǎn)之間的距離拉大了；你還可以想象你正站在其中一個(gè)點(diǎn)上，你會(huì)看到另一個(gè)點(diǎn)離你越來(lái)越遠(yuǎn)。但是，你怎樣知道那個(gè)小點(diǎn)離你有多遠(yuǎn)，移動(dòng)速度有多快呢？這就要用上超新星了。

超新星是恒星爆炸的產(chǎn)物，它們非常亮。假若我們觀測(cè)到一些超新星，知道了它們的亮度，并通過(guò)光譜研究知道它們遠(yuǎn)離我們的速度，那就能推測(cè)宇宙膨脹的速度了。20世紀(jì)90年代，科學(xué)家正是基于上述考慮觀測(cè)了一些遙遠(yuǎn)的超新星。出人意料的是，它們所在的地方比人們預(yù)想的更遠(yuǎn)。這說(shuō)明，宇宙膨脹的速度加快了。為什么宇宙的膨脹會(huì)變快呢？人們推測(cè)有一種神秘的力量在與引力抗衡，這種不可見(jiàn)的力量導(dǎo)致宇宙加速膨脹?？茖W(xué)家把這種力量歸咎于“暗能量”。

迎接宇宙觀的大變革

暗能量構(gòu)成了宇宙中不可見(jiàn)的主要部分，它可能占了宇宙總質(zhì)量的三分之二。如果說(shuō)暗物質(zhì)產(chǎn)生引力，試圖把物質(zhì)結(jié)合在一起，那么暗能量就產(chǎn)生斥力，試圖將物質(zhì)分開(kāi)。科學(xué)家認(rèn)為，暗能量是非常微弱的，它對(duì)較小的物體只產(chǎn)生微弱的作用，但由于暗能量無(wú)處不在，它們結(jié)合起來(lái)的力量就非常大，足以克服來(lái)自暗物質(zhì)和普通物質(zhì)共同產(chǎn)生的引力，并把宇宙從減速膨脹的狀態(tài)扭轉(zhuǎn)到加速膨脹的狀態(tài)上來(lái)。

到目前為止，暗物質(zhì)和暗能量依然是最大的宇宙之謎。由于它們的總和占了宇宙物質(zhì)總質(zhì)量的近96%，假若人類不解開(kāi)這道謎，就等于我們對(duì)96%的宇宙是不清楚的。假若解開(kāi)了這道謎，那人類就獲得了認(rèn)識(shí)宇宙的巨大進(jìn)步。

科學(xué)家推測(cè)，也許人類正處在一個(gè)迎接重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵時(shí)刻，因?yàn)橐坏┤祟悓?duì)96%的“宇宙黑暗面”有了突破性的認(rèn)識(shí)，那么人類的宇宙觀就會(huì)發(fā)生巨大的改變，人類對(duì)自然世界的認(rèn)識(shí)就會(huì)出現(xiàn)根本性的變革，人們對(duì)時(shí)間、空間和物質(zhì)的看法也就變得和過(guò)去完全不同了。