揭秘宇宙謎團之暗物質(zhì)

王治鈞

2019年TED和美國國家科學院的聯(lián)合活動邀請了斯坦福大學物理學家里薩·韋克斯勒（Risa? Wechsler）分享了關(guān)于暗物質(zhì)的研究，里薩是SLAC國家加速器實驗室的粒子物理和天體物理學教授，兼卡夫利粒子天文物理學和宇宙學研究所的所長。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驗室的物理學家們?nèi)绾翁岢隽藙?chuàng)造性的研究方法。

暗物質(zhì)——宇宙的主宰

中國古代將金、木、水、火、土作為基本元素，以此來研究世界萬物的形成及其相互關(guān)系。隨著近現(xiàn)代科技水平的進步，人類逐漸知道宇宙物質(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)不會被吸收或發(fā)射光線，我們用肉眼無法觀察它們，也幾乎無法用電磁波或其他任何的可見光探測它們，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)對人類的作用，首先要了解銀河系的起源。

宇宙大爆炸后不到一秒的時刻，宇宙膨脹得非常迅速，所有的物質(zhì)都是在這個時候創(chuàng)造的。大約在大爆炸發(fā)生的40萬年以后，宇宙溫度高，密度大，很平滑，但是物質(zhì)質(zhì)量分布不均勻。這個過程中暗物質(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)，只會保持原有的狀態(tài)，改變也會相對較小。所以說暗物質(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，自然也不會有人類或者其他生命體出現(xiàn)。所以說暗物質(zhì)是宇宙的主宰，沒有它我們將不復存在。

探測暗物質(zhì)的“三大法寶”

大多數(shù)的物理學家認為暗物質(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。物理學家和天文學家嘗試多個方法去尋找看不到的暗物質(zhì)粒子，目前探測暗物質(zhì)的方法有3種，比如地下實驗室的探測器、地面或太空探測器以及通過大型強子對撞機（LHC）創(chuàng)造出暗物質(zhì)粒子。

直接探測：極深的地下

實驗室

美國斯坦福大學物理學家里薩·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動場中探聽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，科學家們通常會利用極深地下實驗室，這是開展重大基礎(chǔ)前沿物理實驗研究的一種極佳環(huán)境。

多個國家利用礦井和隧道深坑實驗室建造了靈敏的暗物質(zhì)探測器，等待穿過地球的暗物質(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。

中國四川錦屏山暗物質(zhì)實驗室處于地下2400多米，是世界最深實驗室，可以屏蔽大量宇宙射線的干擾，如果足夠幸運，實驗室反應器能捕獲到暗物質(zhì)粒子穿過巖石的痕跡。錦屏山實驗室在一期建成投入使用后，科學家們已經(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。二期工程將會安裝更強大的噸量級超級探測器，可以更靈敏地探測暗物質(zhì)顆粒。

銀河系

間接探測：太空探測器探測暗物質(zhì)

如果說地下實驗主要進行的是暗物質(zhì)直接探測，是探測暗物質(zhì)粒子與普通物質(zhì)之間的碰撞過程，那么太空空間儀器就是一種間接探測，和地面直接探測所基于的物理假設(shè)區(qū)別很大，是一種互補關(guān)系。

物理學家們認為，暗物質(zhì)粒子碰撞后會產(chǎn)生高能粒子，暗物質(zhì)衛(wèi)星探測器就是嘗試去精確探測這些粒子，通過其能譜、空間分布來尋找暗物質(zhì)粒子存在的證據(jù)。

利用極深地下實驗室屏蔽掉嘈雜的各種宇宙粒子

目前國際上最著名的幾個暗物質(zhì)探測器包括美國費米衛(wèi)星、阿爾法磁譜儀AMS-02和中國的“悟空”。三者各有特色，“悟空”在觀測能段范圍、能量分辨率、粒子鑒別本領(lǐng)等方面有很大優(yōu)勢，特別適合尋找暗物質(zhì)粒子湮滅過程中產(chǎn)生的一些非常尖銳的能譜信號。因為這個探測器有308根縱橫交錯的“水晶棒”，每一根都有2.5厘米見方、60厘米長，是世界上最長的鍺酸鉍晶體，這些漂亮的“水晶棒”能夠測量入射粒子的能量。

加速器碰撞探測暗物質(zhì)粒子

科學家們也嘗試利用瑞士的大型強子對撞機將粒子撞擊在一起，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、速度還未達到理想值。

瑞士的大型強子對撞機（LHC）是世界上最大的粒子對撞機，如今已經(jīng)進入暮年，科學家們希望設(shè)計推出一款更強大的粒子加速器，歐洲核子研究中心（CERN）就計劃在瑞士日內(nèi)瓦地下隧道中再建造一個長達100千米的圓形超級對撞機，質(zhì)子對撞的能量將是當前老對撞機LHC的6倍，以此來推動高能物理學的前沿研究。

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

如果沒有暗物質(zhì)，我們的銀河系將不復存在。這些星系如何在宇宙中變化、分布、移動都和暗物質(zhì)有關(guān)，因此，我們可以通過對星系的觀察來檢驗研究暗物質(zhì)的一些預測。

太空探測器

首先科學家可以用星系繪制宇宙圖?！鞍的芰空{(diào)查項目”繪制了迄今為止最大的宇宙圖，測量跨越八分之一天空的近1億個星系的位置和形狀。

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1億個星系扭曲的光線推斷出來的。光線在穿過這些星系和我們地球之間的物質(zhì)時發(fā)生了扭曲——物質(zhì)的引力足夠強可以彎曲光路。

這種類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間的變化，從而進一步了解宇宙的構(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)運動比較快，冷暗物質(zhì)運動緩慢。溫暗物質(zhì)粒子運動快，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)量也會減少。于是通過測量衛(wèi)星星系的數(shù)量，科學家可以區(qū)分這些暗物質(zhì)的類型。

大型強子對撞機

如果在晴朗天氣下仰望南方的夜空，我們能看到兩個真實環(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。

在過去的幾年中，科學家利用制作宇宙圖所用的暗能量檢測發(fā)現(xiàn)了很多非常小的星系，有的只包含有幾百顆恒星，相對于我們銀河系的幾千億顆來說，這種小星云很難找到。

現(xiàn)在我們知道有60個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，當碰到正常物質(zhì)時暗物質(zhì)不會發(fā)生太多改變。

當代粒子物理及天體物理領(lǐng)域里暗物質(zhì)是一個很熱門的研究領(lǐng)域。在未來科學家們將制作更加精確的巡天圖，完善我們對整個銀河系和宇宙的理解。暗物質(zhì)仍然是一個巨大的謎，但它的研究過程更加讓人激動。隨著科技水平的提高，這項研究將更加深入，人類將逐漸揭開謎團，這可能讓我們對物理學理論有全新的理解，并從中探究人類在宇宙中的位置。