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神秘暗物质 我要找到你 不管上天入地

2017-08-30 10:04 来源:科技日报

  哈勃空间望远镜和钱德拉X射线天文台拍摄的六幅星系团照片,科学家用它们来研究星系团碰撞时暗物质的行为 图片来自NASA官网

  夜幕降临时,满天的繁星足以让人们感叹宇宙的浩瀚。而事实上,你所能看到的恒星以及所有星系可能不到宇宙质量的5%。而天文学的观测表明,剩下的约95%是由看不见的暗物质和暗能量组成。

  近日,国际合作项目“暗能量巡天”公布的最新研究结果进一步支持了前人结论——宇宙质量26%为暗物质,70%为暗能量。

  尽管看不见摸不着,但为了捕捉到暗物质的身影,科学家们正在穷尽一切可能。

  身披隐身衣,躲不过科学家火眼金睛

  如同穿了隐身衣一般的暗物质,最早是如何暴露行踪的呢?

  荷兰天文学家雅各布斯·卡普顿通过研究银盘上恒星的垂直运动,推测应该有更多的物质存在,从而在1922年提出了“暗物质”的概念。之后又有更多的天文学家,包括詹姆士·金斯、简·奥尔特等做了类似的研究,也得到了类似的结论。但受限于当时的认识问题,他们认为暗物质和通常的物质类似,只是看不到而已。

  上世纪30年代初,美国加州理工大学的天体物理学家弗里茨·兹威基首次在观测中找到了暗物质存在的可能证据。他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提供的引力无法将它们束缚在一起。

  “就好比是绳子上牵引着一个球,当球快速转动时,能感觉到绳子越绷越紧,速度快到一定程度,会出现绳子断裂,球飞出去的情况。” 中国科学院国家天文台研究员苟利军打了个比方。

  然而,星系并没有因为运动速度太快而飞出星系团,星系团也没有被撕裂。兹威基推断,一定是该星系团中充满了大量不可见的“物质”,它们的引力足够强,可以把星系团束缚在一起。

  更为大胆的是,兹威基认为这里的物质是完全不同于通常物质的另外一种物质,并且起名为“暗物质”。

  时间到了上世纪70年代,美国天文学家维拉·罗宾和肯特·福特在观测仙女座星系中恒星旋转速度时发现,当恒星到星系中心距离增加时,其旋转速度并没有下降,如果没有暗物质产生的强大引力,高速旋转的恒星势必会跑到星系外。

  鲁宾和福特的观测结果给出了那个时代有关暗物质的最强证据。随着观测技术的不断进步,科学家们从更多的天文现象中,如星系团的强引力透镜、微波背景辐射的功率谱中找到暗物质存在的证据。

  尽管暗物质看不见,但因为它能产生足够大的引力,所到之处多少会留下痕迹,科学家们试图据此给它画像:不发光、寿命长、作用弱等等。

  在画像的同时,科学家希望能探测到暗物质粒子的“真身”。“揭开暗物质微观粒子本质是21世纪物理与天文学最重要的科学目标之一,根据目前的主流理论,暗物质很可能是一种超出粒子物理标准模型的‘弱相互作用重粒子’。” “熊猫计划”(PandaX)暗物质实验第二负责人、上海交通大学教授刘江来表示。

  “熊猫”地下织网,捕捉暗物质真身

  在寻找暗物质的过程中,各国科学家争分夺秒。目前暗物质探测方式主要有三种:地下直接探测、空间间接探测和加速器实验。

  在中国锦屏地下实验室开展的“熊猫计划”采用的便是地下直接探测的方式,对暗物质与普通物质相互作用的信号进行直接探测。他们采用液氙技术,捕捉暗物质和氙原子发生碰撞的信号,一旦产生碰撞,氙原子会发光,同时也会产生自由电子。

  选择在深部地下进行探测,是为了尽量屏蔽宇宙射线的干扰。苟利军表示,采用液氙技术探测暗物质粒子,好比是在大池子中捕鱼,科学家们织就的“渔网”要尽可能的大,才能增加在较短时间里捕到“鱼”的概率。

  “熊猫计划”的竞争对手十分强劲。已经结束运行的美国LUX合作组在今年1月正式发表250公斤级探测仪过去四年运行的最终数据,超过了“熊猫计划”在2016年7月发表的世界最灵敏探测结果。位于意大利的XENON1T是目前世界上正在运行的最大暗物质探测仪,探测区域的液氙达两吨,该实验合作组于今年5月公布了首个结果,其灵敏度又超越了LUX。

  很快,这一纪录再次被改写。北京时间8月8日凌晨,“熊猫计划”项目负责人、上海交通大学鸿文讲席教授季向东在“2017年度国际高能粒子天体物理大会”上公布了该项目合作组最新实验结果——在“54吨·天”的国际最大曝光量下,得到了暗物质与核子的碰撞截面应小于“6×10-47平方厘米”限制,再次刷新了对暗物质粒子性质限制的世界纪录。

  “这是对暗物质可能存在的参数空间做出的最强限制。”刘江来介绍。虽然暗物质还没有被找到,但它的藏身范围,已经缩小。

  “6×10-47平方厘米”意味着什么?刘江来解释道,这一面积用来表示两种粒子之间的碰撞概率,可以想见,这是一个非常小的数值,意味着碰撞概率极低。“目前探测仪还没有探测到一例暗物质粒子碰撞事件,继续提高探测灵敏度是下一步要做的。”

  “悟空”上天巡视,寻觅暗物质痕迹

  “熊猫计划”紧密进行的同时,我国首颗暗物质粒子探测卫星“悟空”也正在太空中寻找暗物质的蛛丝马迹。

  “悟空”的英文名字是“DAMPE”。中国暗物质粒子探测卫星首席科学家常进在一次讲座中说道,DAMPE是一个寻宝游戏中的关键人物,要找到宝贝,必须先找到它。“取名DAMPE,是希望它能领着我们找到暗物质粒子。”

  根据目前的理论模型,暗物质粒子湮灭或相互作用后可能会产生高能光子,如果能够精确测量这些光子的能谱,可能会发现暗物质粒子留下的“指纹”。空间间接探测,主要是对宇宙星系中暗物质的湮灭或微衰变产生的次级粒子进行探测。“悟空”之外,目前在进行空间探测试验的,还有国际阿尔法磁谱仪、美国费米卫星等。

  在分析空间探测的难点时,苟利军指出,宇宙是一个巨大的粒子物理实验室,时刻发生各种各样的粒子发生湮灭衰变的信号,如何扣除背景信号得到有效信号,是需要解决的问题。

  “悟空”工作轨道为高约500千米的晨昏太阳同步轨道,每天平均观测500万个高能粒子,每天回传的数据量约16G,相当于一部高清电影的数据量。地面上100多人的科学家团队在对数据开展分析研究。它的观测能段范围是国际阿尔法磁谱仪实验的10倍,探测器能量分辨比国际同类探测器高3倍以上。

  清华大学工程物理系副教授岳骞介绍,在“上天”“入地”之外,还可以通过加速器实验探测暗物质。即通过人造加速器把标准模型粒子加速到很高能量后碰撞,通过测量碰撞反应中的丢失能量给出对于暗物质粒子质量和反应截面的限制。“这三种暗物质研究方法相互独立、相互补充和相互检验”。

(责任编辑:王蔚)

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