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暗物质:迷失的大多数

2017-02-09 09:53 来源:光明日报 周宇峰

  中国锦屏地下暗物质探测实验室。光明图片/视觉中国

  中国首颗暗物质探测卫星“悟空”已经在轨运行一年了,据介绍已经取得了不少成果。科学家们相信,这些成果将会为最终解开暗物质之谜作出贡献。光明图片/视觉中国

  【科学向未来】

  2016年11月,理论物理学界的“大咖”、荷兰阿姆斯特丹大学的理论物理学家艾瑞克·瓦尔林德(Erik Verlinde)发表论文,称引力是由真空的量子纠缠熵呈展而来的,原先认为由暗物质造成的引力效应其实源于真空和暗能量中存在额外的熵。这一理论猜想再次引发了暗物质是否存在的讨论。那么,暗物质是否存在?其他科学家如何看待这个问题?

  暗物质的发现之路

  要想回答“暗物质是否存在”这个问题,首先让我们来看看“暗物质”是如何被发现的。

  茫茫宇宙中,发光的星体只是一个个可见的孤岛,宇宙中的绝大部分是黑暗和混沌的。宇宙中零星存在一些不发光的物质本属平常之事,然而随着天文学观测进入高精度时代,人们认识到整个宇宙中的物质是被某种不发光的神秘物质主导的——它和我们目前已知的任何一种物质都不同,而人类迄今了解的所有形形色色的物质,只是物质世界冰山的一角。

  Dark Matter中文译为“暗物质”,最早由荷兰天文学家、恒星天文学的先驱者卡普顿(J.Kapteyn)在1922年提出,指可通过星体的运动间接推断出的其周围可能存在的不可见物质。但卡普顿对太阳系附近星体运动的研究未能发现暗物质存在的确凿依据。1933年,美国加州理工大学的天体物理学家兹维基(F.Zwicky)首次在实验中找到出暗物质存在的证据——他利用光谱红移测量了后发座星系团中各个星系相对于星系团的运动速度,发现它们运动得太快,以至于仅靠星系团中可见星系的质量提供的引力无法将它们束缚在一起。他由此推断,后发座星系团之所以能够保持现在的状态,其中应该存在大量暗物质,并且其质量至少为可见星系的百倍以上(虽然后来更精确地研究证明只有十倍左右,但他得出暗物质为主的结论依然正确)。

  然而这一革命性的结论在当时未能引起学术界的重视,但之后不断有研究支持他的观点。决定性的证据出现在1970年,其时,美国天体物理学家鲁宾(V.C.Rubin)和福特(W.K.Ford)对仙女座大星云中星体旋转速度的研究取得了重大突破——这让学术界认识到,暗物质的确大量存在,并逐渐成为学术界的主流观点。这两位科学家利用高精度的光谱测量技术,能够精确地探测到非常遥远的星体和星际气体绕星系的旋转速度和距离的关系。简单地说,按照牛顿万有引力定律,如果星系的质量主要集中在星系核心区的可见星体上,那么星系外围的星体的速度将随着距离而减小。但观测结果却表明在相当大的范围内,星系外围的星体的速度是恒定的。这意味着要么牛顿万有引力定律是不正确的,要么星系中有大量的不可见物质、分布在星系的非核心区,并且其质量远大于发光星体的质量总和。

  存在暗物质是学术界主流观点

  经过大量的后续研究,暗物质存在这一推论逐渐被天文学界广泛认可。但正如前文所说,观测到的现象也有可能意味着万有引力定律是需要修改的,而并非由暗物质引起。荷兰阿姆斯特丹大学的理论物理学家艾瑞克·瓦尔林德就在这条路上进行了新的探索,并取得了部分成功。但目前尚未找到一个修正的万有引力定律的理论,能够统一解释主要的观测事实,尤其是解释宇宙中大尺度结构的形成以及微波背景辐射中的扰动。

  而引入“暗物质”的概念来理解这些观测事实,要相对容易得多。应该说,存在暗物质仍然是目前学术界的主流观点。

  暗物质虽不可见,但我们能通过其他方式发现它们存在的蛛丝马迹。比如,星系团中普遍存在能发射出X-射线的炽热气体,如果没有足够的引力,气体将很快“逃出”星系团并消散。因此,科学家通过气体的温度,就能推测出星系团的质量——大量的星系团X-射线观测数据表明星系团质量远大于其中发光部分的贡献,这就说明有大量暗物质存在。再比如,根据广义相对论,引力能导致光线弯曲。如果暗物质大量存在,其所产生的引力必然会改变“路过”它们的光线的走向。科学家在天文观测中发现,我们看到的星系的形状和它们的实际形状不相符,这说明星系发出的光线“变形”了,因此推测星系团中可能存在大量暗物质。这些不同方法得出的结论基本保持一致,且可以互相印证。

  在宇宙尺度上,科学家已经通过微波背景辐射确定宇宙中暗物质的总量:目前的观测表明宇宙总物质的85%以上由暗物质贡献,构成天体和星际气体的常规物质只占15%。

  暗物质,已知的和未知的

  然而我们对暗物质属性的了解仍然很少——目前我们只知道暗物质不是什么,但并不知道它是什么——暗物质应是有质量的,能够参与引力相互作用,但单个暗物质粒子的质量大小还不知道;暗物质应该很难衰变,因为在宇宙结构形成的不同阶段都有暗物质存在的证据,其寿命起码要长过宇宙年龄;暗物质基本不参与电磁相互作用,暗物质与光子的相互作用必须非常弱,以至于其基本不发光;数值模拟表明暗物质也不可能高速运动,否则宇宙无法在引力作用下形成目前的星系、星系团等结构;暗物质不可能是常规致密天体,比如中子星和黑洞,因为微引力透镜的巡天观测研究显示,宇宙中这类不发光的致密天体的总量是很小的。

  更重要的是,暗物质不应是常规物质,即不是由质子和中子构成的。人类已知的物质世界几乎全部由原子核,即质子和中子构成,并且这种常规物质的总量是确定的——这可由原初核合成理论计算得出,并与观测结果令人吃惊地相符合。因此如此大量的暗物质不可能来自常规物质,它是一种完全未知的新的物质类型。

  我们已知的所有常规物质都能够用粒子物理标准模型来解释,但暗物质的存在对这一模型的完备性提出了巨大的挑战。曾经有推测,中微子的性质和暗物质的性质接近,中微子或许就是暗物质。但更多的研究表明,中微子不是暗物质——它几乎以光速运动,与暗物质低速运动的特征不符合。由此,标准模型中再没有合适的暗物质候选者,这明确提示我们:当前的标准模型还不是一个统一描述物质世界的完备理论。

  为了找到这种完备的理论,物理学家都在努力探索着,提出了很多新理论。比如,超对称理论就是最近比较流行的一种新理论。这种理论认为,最轻的超对称粒子是暗物质粒子。再比如,也有理论认为,暗物质可能是轴子,是一种与对称性破缺相联系的粒子。

  目前世界各国都在集中力量探测暗物质属性,我国也正在积极推进这方面研究工作。我国已经在四川锦屏建成了小型暗物质探测实验室,这里具有得天独厚的有利条件,位于锦屏山地表2500米之下,是目前世界上最深的地下探测实验室,能很好地屏蔽各种宇宙射线背景的干扰。在这里,由清华大学负责的CDEX探测器和由上海交通大学负责的PandaX探测器正在进行探测,探测能力位居世界前列。同时,我国也在开展暗物质空间探测——我国第一颗暗物质探测卫星“悟空”已经在轨道空间收集了一年的数据。相信这些探测将会为最终解开暗物质之谜作出贡献。

  鲁宾曾说:星系中不可见物质与可见物质的比例大约为10:1,这大抵也是人类对未知世界与已知世界的比例,人类对物质世界的认识只是刚刚走出幼儿园而已。暗物质问题是笼罩在21世纪科学之上的一朵乌云,为了驱散这朵乌云,科学家们正在努力着。

  (作者:周宇峰,系中国科学院理论物理研究所研究员)

  【延伸阅读】

  寻找暗物质的三种方法

  暗物质的实验探测手段大致有三种方法:一是空间探测,即通过宇宙星系中暗物质的湮灭或微衰变产生的次级粒子如正负电子、正反质子、中微子、光子等进行探测;二是在深部地下实验室的低辐射本地环境下,探测暗物质与原子核的可能的碰撞散射过程;三是加速器实验,即在高能对撞机上直接产生出暗物质粒子并进行探测。对于轴子类型的暗物质,可以通过其在强磁场中光子的产生进行探测。

  空间探测是一种间接探测方法。根据目前的理论模型,暗物质粒子衰变或相互作用后可能会产生稳定的高能粒子,如果我们能够精确测量这些粒子的能谱,可能会发现暗物质粒子留下的蛛丝马迹。目前的空间探测实验有诺贝尔物理学奖得主丁肇中主持的装载在国际空间站的阿尔法磁谱仪、美国费米卫星、我国的“悟空”暗物质探测卫星等。

  地下探测是一种直接探测方法。该方法直接探测来自宇宙空间的暗物质粒子和原子核碰撞所产生的信号。由于发生这种碰撞的概率很小,产生的信号也极其微弱,为了降低来自太空的宇宙线本底“噪声”,通常需要把探测器放置在很深的地下。目前采用深部地下探测实验的有美国的CDMS和Xenon100实验,我国的CDEX和PandaX实验等数十个实验。

  加速器实验是一种主动“制造”暗物质的方法。在高能加速器上让粒子互相碰撞,打出新粒子,将暗物质粒子“创造”出来,并研究其物理特性。但要在加速器上进行暗物质实验,需要很高的能量,目前最高能量的对撞机是欧洲大型强子对撞机。

(责任编辑:王蔚)

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