暗物质

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本集主题：暗物质
主讲人：刘项琨
所在单位：云南大学中国西南天文研究所


近年来，随着不同天文观测的长足发展，人们建立了标准的大爆炸宇宙学模型——宇宙学常数暗能量冷暗物质模型。在这个模型框架下，最新的观测结果表明，我们宇宙的物质组分中有近70%是暗能量，25%是暗物质，而我们所熟知的、日常生活中可以接触到的物质仅占5%，也就是说，目前宇宙中有95%的物质成分是我们不清楚的，而研究这95%物质成分的物理本质是当前宇宙学乃至天文研究中最为重要的前沿领域之一，“暗物质”和“暗能量”也被认为是新世纪物理学和天文学的两朵“乌云”。




有人可能会问，“暗物质”和“暗能量”有何区别？为何要做这种区分？简单来说，这取决于两种成分的物理性质，所谓物质，主要体现在引力层面，物质越多，我们一般认为引力越强，而能量，主要体现在向外膨胀的层面，因此两者对宇宙的演化会产生不同的效应。


之所以称之为“暗”，是因为无论是暗物质还是暗能量，我们都看不见摸不着，或者说它们都不参与电磁相互作用，我们只能通过它们对宇宙演化的影响来间接判断它们的存在，就比如1998年人们通过对Ia型超新星的观测发现了宇宙的加速膨胀，使得人们普遍接受了暗能量的存在，但是对于它们的物理本质，我们仍知之不详，亟待我们进行更加仔细的探索。今天由于时间关系，我们着重介绍暗物质，而暗能量我们留待以后进行讨论。




抛开暗能量，暗物质占到所有物质的80%以上，在整个宇宙结构的形成与演化过程中起到了举足轻重的作用，但由于它不与光子相互作用，或者说，它本身不发光，因此利用传统的天文观测手段对其进行探测异常困难。那么问题就来了，人们是如何得知暗物质的存在的呢？其实，暗物质的提出可以追溯到百年前，最早提出“暗物质”可能存在的是天文学家卡普坦，他于1922年根据恒星运动间接推断出可能存在不可见物质。1933年，天体物理学家兹威基利用光谱测量了后发座星系团中各个星系相对于星系团中心的运动速度，结果发现，若根据位力定理，仅靠星系团中可见星系的质量产生的引力是无法将这些星系束缚在星系团内，因此星系团中应该存在大量的暗物质，其质量为可见物质的数十倍以上。




不过当时这一发现并未引起学术界的重视。1959年凯恩和沃特对彼此靠近的仙女座大星云和银河系之间的相对运动进行了研究，通过它们彼此间的速度和距离，推论出我们所处的本星系团中拥有比可见物质质量大十倍的暗物质。暗物质存在的另一个重要证据来自1970年鲁宾和福特对仙女座大星云的旋转曲线研究。他们利用高精度的光谱测量技术，测量了仙女座大星云外围区域恒星绕中心旋转速度和中心距离之间的关系。根据牛顿万有引力定律，如果仙女座大星云的质量主要集中在中心核区的可见恒星上，星系外围的恒星的旋转速度将随着中心距离的增大而减小。但实际观测结果却表明在相当大的半径范围内恒星的旋转速度是基本不变的，这意味着星系中可能有大量的不可见物质，其质量远大于发光物质的质量总和。


此后，大量观测证据，包括星系团的引力透镜效应，星系团中炽热气体的温度分布，以及宇宙微波背景辐射的各项异性研究等等，均支持暗物质的存在，这使得暗物质逐渐被天文学和宇宙学界所广泛认可。




其实，除了引入暗物质来解释这些观测现象以外，另一种可能的解决办法是尝试修改引力理论——即修改广义相对论。这种办法在十几年前得到了物理学家的广泛关注和探索，不过2006年子弹头星系团的发现从一定程度上排除了大量相关修改引力理论，使得人们将目光重新聚焦到了暗物质上。这张图展现的就是子弹头星系团，包含两个正在发生碰撞的星系团。图中红色部分表示两个星系团的热气体分布，蓝色部分是利用引力透镜方法得到的星系团的物质分布，因为引力透镜不依赖于可见物质以及暗物质，因此所得到的物质分布代表的是总体的物质分布。


从图中可以看出，热气体分布中心与总的物质分布中心存在明显偏离，因此反映出星系团中包含两种不同的物质成分，其中热气体是我们所熟知的物质成分，在相互碰撞过程气体分子间会存在除引力以外的相互作用，而另一部分我们认为是暗物质，它们之间除引力以外几乎没有相互作用，因此当两个星系团发生碰撞，两个成分会发生分离，形成图中的情形，这是简单修改引力理论无法解释的现象，因此类似这种子弹头星系团的观测也被认为是暗物质存在的最为直接的证据之一。


（NASA credit）


虽然目前已有大量观测证据揭示暗物质的存在，但是我们对暗物质性质的了解非常有限，主要体现在：暗物质参与引力相互作用，但我们并不清楚每个暗物质粒子的质量以及大小，其次，暗物质基本不参与电磁相互作用，它与光子的相互作用必须非常弱，以至于基本不发光，同时暗物质也基本不参与强相互作用，否则原初核合成的观测结果将与当前结果不一致，最后宇宙大尺度结构的观测结果表明，暗物质的运动速度应远小于光速，即我们所说的“冷暗物质”。综合以上特点，我们相信暗物质的主要成分应该不是我们所知的任何一种粒子。


理论上，目前最广泛讨论的暗物质候选者之一是弱相互作用大质量粒子，也就是我们常说的WIMP，它必须具有电中性、色中性，不直接参与电磁和强相互作用，运动速度远低于光速的特点。在已知的粒子物理标准模型中，并不存在同时满足这些性质的粒子，因此WIMP必须是超出标准模型的新物理粒子，其质量和相互作用强度在电弱标度附近。另一个暗物质候选者是轴子，它是一种非常轻的中性粒子，与强相互作用中电荷共轭-宇称反演联合对称性破缺相关，可以通过真空态的破缺成为冷暗物质。基于此，物理学家建立了不同的暗物质模型。


另一方面，科学家也在根据暗物质的这些性质和特点设计精密实验，试图进行探测。主要手段包括：直接探测；由于暗物质与普通物质之间的相互作用极其微弱，为了最大限度地减少其他干扰，直接探测实验必须在地下深处进行。考虑到每时每刻都有大量的暗物质粒子穿过地球，如果其中一个粒子与探测器中的物质发生相互作用，那么我们就能通过精确分析了解暗物质的性质。


目前，全世界正在进行中的暗物质地下探测实验有数十个，我国在四川锦屏山下建立了中国首个极深地下实验室——“中国锦屏地下实验室”，垂直岩石覆盖达2400米，是目前世界岩石覆盖最深的实验室，由清华大学和上海交通大学合作开展暗物质直接探测。虽然这些实验尚未发现暗物质粒子存在的确凿证据，但这些结果有力地限制了暗物质粒子的质量和相互作用强度。另一个是间接探测，即寻找宇宙中暗物质自身衰变或湮灭产生普通物质的信号，主要是利用空间探测器直接收集宇宙线粒子，或者是在地面观测高能宇宙线粒子进入地球大气时产生的切伦科夫辐射，通过分析宇宙线中各种粒子的数量和能谱，提取宇宙中暗物质衰变或湮灭的信息。




我国15年发射的“悟空”号暗物质粒子探测卫星就是该探测手段的典型代表，由中国科学院紫金山天文台、中国科学技术大学、中国科学院近代物理研究所和中国科学院高能物理研究所等单位合作研发，是目前世界上观测能段最宽、能量分辨率最好的暗物质粒子探测卫星。2017年悟空号发现电子宇宙射线谱在～1 TeV处，也就是1万亿电子伏处的拐折以及～1.4 TeV处能谱精细结构的初步证据，可能与暗物质有关，目前仍在做进一步确认，一旦该结果得以证实，这将是粒子物理或天体物理领域的开创性的发现。


悟空号卫星示意图 图片来源：中国科学院


虽然到目前为止，我们只是一瞥暗物质的身影，还未有其存在的确凿证据，但是我们相信，随着观测手段的不断进步，观测数据的不断累积、相关理论的不断发展，在不久的将来，我们将揭开暗物质的神秘面纱，对整个宇宙开启全新的认识。


怎么样，如此神秘的宇宙是否勾起了你内心的好奇？让我们携手共进，共同去探索这个广袤无垠的宇宙。
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作者：一点资讯