暗物质：探秘宇宙中的“幽灵”

UFO外星人爱好者

暗物质到底是什么？“人类身体每时每刻都有暗物质穿过，但我们却感受不到。”在科学家们看来，暗物质也同样“神秘”，“它们不发光，却有引力，宇宙中暗物质比可见物质多得多，其寿命长远大于137亿年……”
日前，中国科学院宣布今年年底将发射一颗暗物质粒子探测卫星，并启动了该卫星的命名仪式，这颗卫星的重要使命就是寻找暗物质存在的证据。从20世纪30年代至今，科学界从未停止对暗物质的探索。那么，到底什么是暗物质？如何找到它？



暗物质从没被“看”到过
“宇宙中，我们所能看见的物质，都因为带有电子而能‘发光’，而我们能触碰一张桌子、一面墙，感觉到它们的存在，是因为有电磁场的相互作用。不过，暗物质是不带电荷的，也没有电磁场的相互作用，能像幽灵一样穿透阻碍物，并不能为我们所看到或感觉到。”暗物质卫星首席科学家、紫金山天文台副台长常进如此描述“暗物质”。
据了解，暗物质最早是由天文学家无意中发现的。20世纪30年代，瑞士天文学家茨威基研究发现，在星系团中，看得见的星系占总质量的1/300以下，而99%以上的质量是看不见的。这一结论意味着星系团中有某种神秘物质被人忽略。
之后，越来越多的宇宙观测结果验证这一观点的可信性。暗物质粒子探测卫星项目组成员、紫金山天文台助理研究员冯磊介绍，支持暗物质假说主要的观测证据之一则就是旋转曲线。科学家在研究漩涡星系时，科学家发现，其吸引力所需要的质量远远超出我们所能观测到的物质总量，否则行星就会冲破引力的束缚飞向茫茫宇宙。暗物质卫星科学应用系统副总设计师范一中告诉记者，“我们从来没有直接‘看到’宇宙中存在这种物质，但我们却发现了由于这种物质的引力作用对于其他可见的物质运动的影响，这是我们断定宇宙中存在这种物质的理由。”
那么，暗物质到底是什么？冯磊解释说，通常认为暗物质是一种不发光、不发出电磁波、不参与电磁相互作用的全新粒子。据悉，根据引力效应，天文学家估算，宇宙由27％的暗物质、68％的暗能量和5％的普通物质组成。这些看不见的“大多数”好像披上了隐身外衣一样，使得长期以来，在宇宙中占比最多的东西反而是人类最迟也是最难了解的，至今仅知道它们存在，还不清楚它们的性质。
探测暗物质有三种方法
在最新一季的热播美剧《生活大爆炸》中，科技狂人谢耳朵也开始研究起了“暗物质”，他全副武装准备到地下探测“暗物质”。
谢耳朵不知道的是，探测暗物质并不容易。暗物质除了不发光外，还在于它的速度快，并且难以捕捉。据科学家测算，暗物质粒子每秒的运动速度为220千米，是56式半自动步枪子弹出膛速度的300倍。并且它们穿过人体时，不会留下任何痕迹，人体完全没有感觉。
范一中表示，目前，实验中还没有确定的暗物质信号被探测到。国际上对暗物质探测方式主要分为3类。第一类是加速器探测，这方面主要的探测设备是欧洲核子中心的大型强子对撞机；第二类是在地下进行的直接探测，中国在四川锦屏山地下实验室中正在开展相关实验；第三类是间接探测，主要是在空间进行。而中科院年底将发射的探测卫星就是采用这种间接探测方式。范一中向记者解释说，因为物理学家们认为暗物质粒子的湮灭或衰变会形成各种正粒子、反粒子对，这些粒子对在太空中传播就成了宇宙中宇宙射线和伽马射线的一部分。而这颗即将发射的暗物质粒子探测卫星，就是收集高能宇宙线粒子和伽马射线光子，通过其能谱、空间分布分析来寻找暗物质粒子存在的证据。“简单来说，暗物质粒子穿过探测器过程中，和探测器发生作用，此时通过电子学将其信号记录下来，其过程类似于照相机的底片曝光。”暗物质卫星科学应用系统总设计师伍健对记者说。
常进表示，卫星将全面接收来自宇宙的高能电子和伽马射线，这相当于在宇宙中放置了一台除去大气层面纱的“超高清望远镜”。范一中告诉记者，其实在用间接探测方式的尝试中，国际上已经开始了相关尝试。诺贝尔奖获得者丁肇中研制的阿尔法磁谱仪2号、日本发射的量能器电子望远镜等等都是暗物质的间接探测。据了解，阿尔法磁谱仪是人类送入宇宙空间的第一个大型磁谱仪。2013年由丁肇中领导的研究团队宣布，阿尔法磁谱仪发现了“弱作用重粒子”存在的证据，而“弱作用重粒子”就是一种暗物质的候选体，意味着人类向认识暗物质方向前进了重要一步。去年9月，丁肇中团队和东南大学发布合作研究成果表示，暗物质存在实验的6个有关特征中，已有5个得到确认，进一步显示宇宙射线中过量的正电子可能来自暗物质。
国际科技界认为，未来10到20年将是暗物质探测的黄金时代。
为什么要找暗物质
那么，苦苦寻找暗物质到底有什么用呢？范一中说，现代物理学取得了巨大的成绩，绝大部分现象可以在粒子物理标准模型的框架中得到满意的解释。但暗物质并不适用，这让物理学的天空悬着一朵“乌云”。
据悉，对暗物质的研究长久以来是粒子物理和宇宙学的核心问题之一。此外，寻找暗物质粒子、研究暗能量的物理本质、探索宇宙起源及演化的奥秘以及结合粒子物理和宇宙学的研究已成为21世纪天文学和物理学发展的一个重要趋势。
“弄清楚暗物质的性质，对于我们进一步了解宇宙中星系、星系团等如何在宇宙演化过程中形成，具有十分重要的意义。”范一中说。
常进表示，目前首要的任务是找到暗物质，摸清楚它的物理特性，从而在物理学上进行分析。“上个世纪，量子力学和相对论被发现的时候，谁也不会想到它们对我们的生活影响有这么大，但现在大家用的手机等等，都和这些发现有关。所以，暗物质如果找到了，它就有可能进入我们的生活，很可能在不久的将来影响我们的下一代。在伍健看来，从科学探索的角度来说，此次发射卫星探测暗物质本身就是满足人类求知欲的过程，其本身并不会直接产生经济效益，但在这一过程中势必会推动探测材料和技术的发展。
暗物质粒子或比想象更“轻”
科学界普遍认为，暗物质占宇宙总质量的84.5%，但迄今仍未有人或探测器直接见其“真身”。最近，英国科学家研究认为，暗物质粒子或许比以往所认为的要更加“苗条”、更“轻”一些，其质量仅为电子质量的0.02%。尽管这种粒子不会与光发生相互作用，但它与普通物质之间的相互作用非常强烈，而且，其或许无法穿透地球的大气层，因此也就不太可能被地面探测器发现。