寻找下落不明的暗物质，以及谜一样的暗能量

522008

本文为笔者“探秘宇宙系列之六”
原创：郑娟娟
在上一篇《寻找下落不明的暗物质，从不得不面对的迷失质量开始》中，第四个故事还没有讲完，今天，我们继续讲这个故事，以及有关暗物质和暗能量的更多故事。每当进入宇宙的主题，就像进了一座巨大的魔法城堡，一扇又一扇门打开，出现一个又一个神奇的魔法世界，它们是那样神秘充满惊喜，随后带着我们继续进入新的天地。
一、超新星带来的惊讶与惊喜
回到那个有关宇宙学常数Λ的故事，当超新星宇宙学项目组通过对超新星进行分析得出Ω=0.2的结果，以及高红移超新星搜寻小组通过计算发现宇宙正在加速膨胀并且需要一个为正值的Λ来使宇宙变得能够理解时，这些身处其中的科学家们都感到震惊、激动，甚至是困惑与恐惧。高红移超新星搜寻小组的领导者、天文学家Brian Schmidt（布莱恩 施密特）当时解释，困惑，是因为根本没有预料到这样的结果；恐惧，是因为估计当时大部分天文学家都不会接受这样的结果，他们都会对这种出乎意料的事情抱有极度的怀疑。
但两个互相竞争的超新星小组也同时给彼此以重要的支持和证明，因为任何科学的结果都需要经过验证，两个小组的成员、数据都互相独立（只有很少的几个数据来自相同的超新星），他们使用的分析方法也相对独立（互不相同），但他们都通过不同的路走到了相同的终点：宇宙会一直膨胀，宇宙的膨胀是加速的，他们需要一个数值为正的Λ让宇宙变得可以理解（最终他们给Λ一个0.7的值）。
当初，爱因斯坦为了解释一个稳态的宇宙（在哈勃发现宇宙膨胀的证据之前，人们认为宇宙是稳定的）而引入了Λ；当哈勃发现宇宙正在膨胀时（不是一个稳态的宇宙），好像又导致了对Λ的丢弃，科学家们习惯了假设Λ=0。但是现在，科学家为了解释宇宙又不得不重新拥抱Λ。Λ到底是什么？它只是为解释宇宙而存在吗？
对天文学家来说，Λ当时大概只是一个符号，Adam Riess对高红移超新星的分析需要Λ有一个0.7的正值，否则宇宙就会具有负质量。
但对粒子物理学家来说，一个等于0.7的Λ又带来了新的问题。
或许，对宇宙的认识和理解就是在不断面对问题和解决问题中浮现真理。只不过这个真理到底是什么样的，人们还在探索中。
爱因斯坦曾经预言，空间的第一个性质是可能有更多的空间存在，第二个性质就是空的空间可以拥有属于它自身的能量（empty space can possess its own energy）。对粒子物理学家来说，Λ并非只是一个符号，它是空间的一种性质。在粒子物理学中，真空并不是真那么空，而是一个虚拟粒子在存在和非存在之间不断生灭的奇妙所在，这些粒子不仅存在，还具有能量，由真空能量的存在带来实验可观测的物理效应就是Casimir effect（卡西米尔效应）。因此真空中存在正能量本身并不让物理学家吃惊，让他们感到有问题的是，当他们试图计算这种虚拟粒子会给宇宙的空间带来多少能量时，得出的答案却远远大于天文学家们得出的0.7，大10的120次方倍。这个值太夸张了，在这种能量密度下，空间的伸展将变得非常极端。因此，目前为止，物理学家还是搞不清宇宙的粒子到底玩了什么魔术，搞不清它们到底是按照怎样一种恰如其分的比例彼此湮灭才有了今天的世界。
科学家们在讨论这些问题的时候，求助于两种推想：面对不得不正视的“迷失质量”的问题，为了理解星系的运动，他们推想存在暗物质；面对加速膨胀的宇宙，为了解释超新星的光度，他们推想存在暗能量。
天文学家决定进一步观测宇宙寻找答案。
他们首先想到，会不会有什么东西遮住了超新星的光让它变得比预期的要暗？于是，他们想到了一种奇异的尘埃——灰色尘埃，不过没人发现它的存在。Adam Riess则思考，如果人们对暗物质和暗能量推理的方向是正确的，那么可能会出现这样的情况：现在这个时代，暗能量占主导地位，它的反引力作用力比引力更强，因而宇宙在加速膨胀，超新星会显得比预期的更暗；然而，时间往回推，把膨胀的宇宙往回压缩，必然有一个阶段，物质的密度大到一定程度时，产生的引力的积累效应就会足够大，在那个时候由暗物质产生的引力效应超过暗能量的反引力效应，宇宙的膨胀应该是减速的，当时爆发的超新星的亮度就会比预期的更亮。
如果能够观测到一颗足够遥远的超新星，远到它存在于宇宙膨胀速度逆转前的时代，就可以印证这种想法是否正确。如果这种想法正确，对暗物质和暗能量推理的可靠性就进一步加强了。
幸亏这个时代已经有足够的技术来印证这个想法，哈勃望远镜成了天文学家最好的助手之一。哈勃深空区包含了约3000个星系，其中有些是宇宙中最早的星系。在这片深空区，天文学家的确发现了古老超新星的身影，有两颗被标记为1997ff和1997fg，这两颗超新星是地基望远镜的观测所无法企及的古老。但当时并没有后续观测。
不过天文学家依旧很幸运，1997年，航天员为哈勃望远镜加上了两个厉害的仪器，近红外相机和多目标光谱仪，它们对非常遥远的天体特别敏感，为了进行测试，近红外相机和多目标光谱仪小组把目标对准了哈勃深空区进行拍摄。虽然他们并不是为搜寻超新星而拍摄的，但超新星1997ff和1997fg幸运地入镜了。
Riess在哈勃的照片库里根据坐标找到了这些照片，并对1997ff进行深入分析，通过红移确定了爆发的时间：110亿年以前。足够古老了。
Riess排除了灰色尘埃以及其他可能的影响，他发现，与预期亮度相比，1997ff要亮上2倍！这是一个有力的证据，证明宇宙的膨胀曾经发生过逆转！为了进一步确定，Riess申请了更多的哈勃太空望远镜观测时间，2003年，他的小组宣布，他们已经找到了宇宙膨胀逆转的时间——大约是50亿年以前。那个时候，暗能量的反引力作用力战胜了引力，导致宇宙的膨胀在其后加速。随后几年，Riess的小组又发现证据，表明在这个时间点之前的将近90亿年里，暗能量应该也是存在的。

图片：NASA的哈勃望远镜拍摄的深空图像，图中显示超新星1997ff位于北哈勃深空区，在右上角。
对超新星的观测（具体的说是Ia型超新星）给人类带来了这么多的惊讶与惊喜，它提供了有力的证据，告诉我们，可见的物质在宇宙中是多么渺小的存在，那些看不见的物质和能量其实可能才是宇宙真正的主宰。未来宇宙到底会怎么样？未来对宇宙的探索是否可以实现大的突破？这一切，可能都需要揭开暗物质与暗能量的面纱，只有更多地了解、掌握它们的属性，才能对宇宙了解得更加深入和精确。
二、寻找暗物质
20世纪70年代，就在天文学家观测星系中远离星系中心的区域的运动，并发现大量星系最外围恒星的运行速度和最内部恒星的速度相同时，粒子物理学的发展甚至已经同步地得到了一个相应的解释：那些包括星系晕在内的“迷失质量”，应该是由“不是构成我们的材料”所构成的。这种特殊“物质”应该不是由我们所熟悉的质子和中子（质子和中子统称为重子）构成的，它们应该跟自己、跟其他物质都不会发生相互作用。
物理学家通过对宇宙中重子物质密度上下限的粒子物理学计算，得到重子物质的Ω值为0.1左右。超新星宇宙学项目组通过对超新星分析得出宇宙中物质的Ω值为0.2左右，二者之间相差的0.1的Ω在哪里？根据大爆炸模型，这0.1的Ω只能来自一个地方，本初等离子体。
科学家们认为，暗物质粒子应该和其他粒子一样，运动或快或慢。对于那些非常轻、以接近光速运动的暗物质粒子，称之为热暗物质；那些比较重，运动相对较慢的，称之为冷暗物质。对这两种暗物质，科学家们建立的理论模型表明，不同的暗物质对宇宙演变的影响方式也有所不同——热暗物质会促使先形成较大的结构，随着时间推移逐渐碎裂成小的结构（如先形成超星系团，然后再分裂成较小的星系团、星系）；冷暗物质会促使先形成小的结构，然后再逐步形成越来越大的结构（如先形成星系，再形成星系团、超星系团）。
20世纪80年代初的观测表明，银河系是一个本初超星系团的组成部分。80年代末开始，哈佛-史密森天体物理中心发现了一个星系巨墙（巨墙，The Great Wall，是宇宙中最大的已知架构，是一种星系链。在星系巨墙处，星系团和超星系团汇聚成一条延伸十多亿光年的线。最近的巨墙离地球3亿光年远。巨墙之间平均距离4亿光年，其间没有星系，称〝空洞〞-void宇宙可能就是由一系列星系巨墙构成的）。此后，天文学家开始用“2度视场星系红移巡天”绘制宇宙的三维地图（这是采用多光纤技术的新一代巡天计划，2002年7月，计划中的25万个星系已基本观测完毕，获取了22万余个星系的准确红移值，完成了该巡天的观测部分）。2000年之后，天文学家开始了“斯隆数字巡天”项目（斯隆数字巡天记录了近二百万个天体的数据，包括80多万个星系和10多万个类星体的光谱数据。这些天体的位置和距离数据为研究宇宙的大尺度结构提供了重要资料）。
通过这些巡天观测，天文学家们得到的分布图都与冷暗物质理论模型相一致，宇宙的确是经历了一个先聚结成小结构，再由小结构聚集成大结构的过程——在红移2到4的时候，也就是大约90到120亿年前，星系形成；在红移小于1的时候，也就是大约60亿年前，星系聚集成星系团；现在，星系团正在聚集成超星系团。
天文学家们也在利用越来越先进的观测技术，寻找暗物质的身影。2006年，宇宙演化巡天（COSMOS）发布了暗物质的分布图。这次巡天分析了500多例哈勃太空望远镜拍摄的照片，这些照片反映的都是位置上一前一后排成一条线的两个星系或星系团——天文学家利用星系或星系团的弱引力透镜效应进行计算，来自前景天体的光说明那里看上去有多少物质，而对背景天体的引力透镜效应则能够说明，前景中实际存在多少物质，两个数值之间的差就是暗物质。

图片：可见物质与暗物质分布图，宇宙演化巡天项目，由哈勃太空望远镜提供。左图为可见物质，右图为暗物质。
接下来要提到的是很多人都已知晓的，著名的子弹星系团（Bullet Cluster）的故事。2006年，哈勃太空望远镜、钱德拉X射线天文卫星、拉斯坎帕拉斯天文台的麦哲伦望远镜都捕捉到了子弹星系团1E 0657-56（子弹星系团是由两个相互碰撞的星系团形成）的照片。通过利用X射线和引力透镜对这一碰撞的观测，当时在亚利桑那大学的Douglas Clowe将可见的气体和不可见的物质分离开。通过X射线观测到的可见气体大量集中在碰撞的中心（由于引力作用而集结），通过引力透镜检测出的不可见物质在碰撞的两侧都出现了（来自两个星系团的暗物质仿佛没有受到什么影响，互相穿过）。NASA为它们上了色，粉红色代表可见气体，蓝色代表不可见物质。这张照片成为暗物质存在的最著名的简洁证据。

图片： 子弹星系团1E 0657-56
天文学家善于观测，物理学家则致力于捕获一个真正的暗物质粒子。20世纪70年代，理论物理学家在解决粒子物理标准模型一些问题的过程中，假想了两种粒子，这两种粒子，成为暗物质的重要候选对象。
这两种假想粒子，就是轴子（axion）和大质量弱相互作用粒子（weakly interactive massive particle，缩写WIMP）。作为一种假想粒子，如果轴子存在的话，物理学家们认为一个轴子的质量只有一个电子质量的一万亿分之一。20世纪80年代，物理学家意识到，轴子虽然不能与物质配对，但却能与磁场发生相互作用，在足够强的磁场作用下，一个轴子能分裂成一个光子。为了检验轴子是否真的存在，物理学家正在进行轴子暗物质实验（ADMX），并建造了轴子探测器。
轴子探测器是一个强磁场的共振腔，如果有轴子进入腔内，就会在强磁场的作用下分裂成光子，轴子可以穿过腔壁，但光子不能，光子会被腔壁反弹，发射出一种微弱的微波信号。轴子探测器就试图寻找这种信号。但是这种信号极其微弱，因此，现在世界上有不止一处的实验室，试图通过轴子暗物质实验“捕获”轴子存在的直接证据。
大质量弱相互作用粒子非常受物理学家欢迎，部分是因为它非常适合有关大爆炸模型的描述。这种粒子之间不存在电磁相互作用（意味着无法通过电磁波找到它），也不会通过强核力相互作用，但它们会与原子核发生弱相互作用。从理论上说，可以观测它们与某个原子核相碰撞时发生弱相互作用的两个后续反应：一个是受激原子核产生的微小热量，一个是释放出电子电荷。
在如此微小的尺度上搜寻暗物质存在的独有标志，唯有借助于极高精度的物理实验。目前世界上正在进行或计划进行的三十多个暗物质实验中，绝大多数实验都致力于搜索大质量弱相互作用粒子。伯克利粒子天体物理中心在20世纪80年代末就开始了“低温暗物质搜寻”计划（CDMS），斯坦福大学也开展了类似的实验（可惜实验受到μ介子的干扰并不成功），意大利、加拿大、日本也有相关实验，它们都有一个共同的特点，低温——为了保持靶标原子的稳定，探测器温度必须保持在绝对零度附近；地下（或者在大山的山体中）——为了遮挡宇宙射线和其他普通粒子的干扰。在我国四川雅砻江锦屏山的隧道内，也建造了一个这样的极深地下暗物质实验室，实验室上方有2400米厚的岩石层，可将穿透力极强的宇宙射线隔绝到只有地面水平的大约亿分之一，其中使用的是我国自主设计的高纯锗探测器，用来测量暗物质粒子与锗晶体碰撞时产生的热。
2015年12月17日，我国成功发射首颗暗物质粒子探测卫星“悟空”，科学家们将通过高能量分辨和高空间分辨，观测高能电子和伽马射线能谱和空间分布，寻找和研究暗物质粒子；通过测量TeV(十亿电子伏特)以上的高能电子能谱，研究宇宙线起源；通过测量宇宙线重离子能谱，研究宇宙线传播和加速机制。悟空预计在轨工作三年，前两年主要是巡天观测，第三年根据观测结果进行定点扫描探测。
有关暗物质的具体探测方法和“悟空”的工作原理，大家可以搜索知乎中“中国科普博览”中国暗物质粒子探测卫星首席科学家常进先生的详细解释（见问题“暗物质粒子探测卫星的工作原理是什么”）。
三、神秘莫测的暗能量
与暗物质这种已经出现各种证据的宇宙神秘所在相比，暗能量则显得更加玄妙。首先，根据2013年普朗克团队公布的测量结果，宇宙的年龄是138.2亿岁，其中包含4.9%的普通物质，26.8%的暗物质以及68.3%的暗能量，由此可见，与普通物质和暗物质相比，暗能量在当代宇宙占了极为主要的主导地位。
其次，暗能量不是某种粒子，你不能去探测它，甚至对它的特性人们还一无所知。比如，暗能量是否是一个常量——不随时间和空间而改变？如果它是不变的，那么随着宇宙的膨胀和物质密度的降低，引力的效应会越来越小，暗能量（具有反引力效应）对宇宙的影响就会越来越大，产生越来越大的膨胀加速度，宇宙就会沦落为大寒冷。如果暗能量不是常量，它会随着时间和空间而改变，那么它就可能是物理学中前所未知的某种特别的动力学场，那么它会随着时空的变化对宇宙产生什么影响又是一个新的课题。
美国成立了一个暗物质专门委员会（The Dark Energy Task Force），2006年公布了推荐的研究暗能量的几种方法。例如，通过Ia型超新星进行深入观测。天文学家们希望有一颗望远镜卫星帮助他们。又如，重子声学振荡（BAO）。1970年，普林斯顿的物理学家Jim Peebles已经注意到，在形成宇宙微波背景的过程中，宇宙学扰动（cosmological perturbations）会激发快速穿越本初气体的声学振荡（声波），形成相距43.6万光年的波峰。波峰之间的距离会随着宇宙的膨胀而膨胀，到今天的距离已经达到4.76亿光年。星系通常会在波峰上形成，通过测量不同年代的星系的分布，可以了解波峰随时间的变化，进而了解不同的时间宇宙膨胀的变化。还有弱透镜效应，与前一种方法相比，这种方法更为间接。以及，用南极望远镜进行的一系列观测。
2001年，南极天体物理研究中心的“角尺度干涉仪”（Degree Angular Scale Interferometer）（主要观测宇宙微波背景的温度及其起伏）探测到了暴涨理论所预言的声波表征性分布模式，宇宙在婴儿时期的声音具有3个波峰。2002年，角尺度干涉仪又对偏振进行了观测。温度和波动可以告诉科学家宇宙物质的分布，偏振——光子从物质中解耦出来时的方向——则会告诉科学家们物质运动的方向。和阳光经湖面或路面反射后会发生偏振一样，宇宙微波背景辐射在穿行时会因被电子散射而出现偏振。根据预言，引力波会微小地改变这一偏振的模式。当这些涟漪在时空中传播时，它们会以一种独特的方式来使电子发生位移，由此在CMB中留下它们的印迹。观测的结果让科学家们欣慰，因为这个结果是按照预期水平存在的。
使用南极望远镜进行观测的天文学家们并没有多在意他们所在之地的极寒与偏僻，他们也没有因为在这里工作的苦累、寂寞而退却，相反，他们把在南极工作作为一种奖励来“赢得”。他们不仅要进行一系列科学观测和分析，还需要对仪器进行极其细致的维护和修理。他们希望通过对星系团的丰度和距离的观测计算，弄清宇宙历史上暗能量是如何影响大尺度结构的发展的，他们想探测出暗能量与物质引力之间漫长的拔河比赛的具体细节。
一切都在继续，随着人们知道的越多，人们感觉到的未知就越多。到现在，科学家们已经深深地感到一个巨大问题的存在：怎样在广义相对论（有关至大的物理学）与量子力学（有关至小的物理学）之间做出调和？这个问题，几十年来一直没有得到解决。而有关暗物质和暗能量的问题和这个问题紧密相关。
同时，理论学家们也提出了很多大胆的设想，例如，假如暴涨能够让一个量子宇宙鼓胀成为一个存在，那它为什么不能让许多个这样的宇宙成为存在？按照量子理论，我们所在的宇宙的这个暴涨泡泡将有可能是全部10的500次方个暴涨泡泡中的一个，每一个暴涨泡泡都形成一个自己的宇宙。
看起来人类似乎刚刚迈进宇宙魔法城堡的大门。

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wwwchinese

首赞！要是文章能更像故事会一点会比较开心。

nara0707

哈哈 难度好大 以后尽量多找些资料 主要科学家们都不爱讲故事 可以找到的资料很有限啊

cdixeji

抢到了地板

com98

感觉以太又回来了