【每周科普】【46】宇宙的幕後黑手——暗物質

07-22

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宇宙的幕後黑手——暗物質

北京劉亞英何龍清華大學附屬中學

2017年11月27日上午，中國科學院在京發布了中國首顆暗物質粒子探測衛星 DAMPE( dark matter particle explorer)「悟空」在軌運行530天後，取得的重大突破這一發布又引起了人們對暗物質的討論。

暗物質是現代天文學和物理學的一大謎團，世界上有很多科學團隊都在試圖找到它。中國也於2015年12月17日發射首顆暗物質粒子探測衛星「悟空」，希望借著「悟空」的火眼金睛，找到暗物質這個「妖魔鬼怪」。那麼暗物質到底是什麼？由什麼組成？它為什麼那麼重要，以至於各國科學家們，利用各種先進儀器，在地下深處或是太空中夜以繼日地追尋著它的蹤跡呢？

天文學家們從20世紀30年代開始意識到宇宙總存在著看不見的暗物質。1933年，瑞士的天文學家弗里茲威基（Fritz Zwicky）對距離地球3.2億光年、由超過3000個星系的運動速度進行分析，因為速度與引力有關，所以可以間接估計出星系團的質量，用這個方法得到質量稱為「力學質量」，另一種方法是通過星系團內星系的亮度來估計質量，因為恆星質量越大就越亮，這樣得到的質量稱為「光度質量」。按說力學質量和光度質量應該相近，然而實際得到的結果是，力學質量比光度質量高了400倍左右!也就是說，力學質量里的絕大部分是我們看不到(不發光)的物質。如果沒有這部分「看不見的物質」的作用，那麼這個星系團的引力就不足以將其中的星系像現在這樣束縛在一起。

天文學家們還發現，在每一個星系的周圍都存在著一團巨大的雲狀物，我們無法直接看到這團雲，只能通過它對星體的引力和它使光發生偏折的現象才能間接發現它。科學家們提出了很多假設，卻沒有一個說得通，很明顯有東西在那兒，但它具體是什麼，我們無從知曉。20世紀80年代，科學家正式提出了「暗物質」這個名稱。普朗克望遠鏡顯示，我們的宇宙僅包含有4.9%的普通物質，26.8%的暗物質，剩餘的68.3%被認為是暗能量。從某種意義上講，暗物質統治了整個宇宙。但對於暗物質到底是什麼，由什麼組成，科學家們雖然已經排除了行星、中子星、黑洞等暗天體，但具體是什麼現在還不清楚，科學界還在繼續研究中。

暗物質的所謂「看不見」，不單單是說用我們的肉眼在可見光波段看不見，而是說無論探測什麼波段的電磁波，比如紅外線、紫外線、Ⅹ射線、伽馬射線等,都看不到它，也就是說，暗物質不發出任何波段的光。

既然暗物質無法看見，同時也不發出任何波段的光，那麼我們到底如何尋找暗物質呢？目前主要有兩種方式：第一種方式是直接探測，即只能從它與其他物質偶然發生的碰撞所產生的蛛絲馬跡，來捕捉它的身影。許多理論家認為，暗物質很有可能有弱相互作用，因為弱相互作用，暗物質和普通物質有極小概率會發生碰撞並發出信號，所以最直接的方法就是捕捉暗物質與普通粒子碰撞發出的信號極其微弱，想要聽到這樣的信號，必須在一個非常安靜的地方。就好比不在鬧市區聽音樂，我們則要逃到地底下去，越往下干擾越少，每往地下延伸1000m，宇宙射線的干擾就減少為原來的十分之一。科學家就在地下挖一大坑，將精密儀器放在坑底探測。

目前，世界上岩石覆蓋最深的實驗室就是中國四川錦屏地下實驗室。錦屏地下實驗室就藏身於隧道中部，垂直岩石覆蓋達2400m。在川藏群山下，粒子物理學家最頭痛的宇宙射線的強度僅為義大利中部格蘭薩索山區實驗室的1/200，為實驗提供了「乾淨」的環境。

第二種方式是空間間接探測暗物質本身不可見，但它可能會湮滅或衰變，該過程產生的伽馬射線、字宙射線、中微子等粒子是可見的，通過探測這些可見的粒子，去間接推測或探測暗物質粒子，所以探測暗物質可以利用空間衛星間接探測。在太空中高精度測量伽瑪射線、宇宙射線的能譜以及空間分布，以此來間接尋找暗物質粒子存在的證據。

目前，人類共發射了四顆暗物質探測衛星，分別是阿爾法磁譜儀AMS-02( the Alpha Magneti Spectrometer)、美國費米衛星 Fermi-LAT( the Large Area Telescope on the Fermi gamma-ray Satellite)日本的 CALET衛星( Calorimetric Electro Telescope)以及中國的「悟空」。

據我國暗物質衛星首席科學家、紫金山天文台副台長常進介紹，「悟空」運行期間，每秒會捕捉、探測到60個高能粒子，平均每天就有500萬個高能粒子.而「悟空」能夠觀測的是能量區間為10億電子伏特~10萬億電子伏特的電子和伽馬射線。「悟空」之所以被寄予厚望，主要是因為相較於已有的三顆衛星(探測器)，它的本領更「高強」。之所以稱其本領高強，是因為「悟空」在「高能電子、伽馬射線的能量測量準確度」以及「區分不同種類粒子的本領」這兩項關鍵技術指標方面都處於世界領先地位，尤其適合尋找暗物質粒子湮滅過程產的一些非常尖銳的能譜(電子數目隨能量的變化情況)信號。

很多人可能會問，找暗物質到底有什麼用？中科院院士、上海交通大學天文與天體物理中心主任景益鵬院士對這個問題的回答是：「簡單地說，就是根據現在的各種物理學理論，我們需要暗物質。宇宙137億年的演化，暗物質起了決定性的作用。如果沒有暗物質的存在，現在的整個銀河系、太陽系就不是目前的樣子。一百年前出現相對論、量子力學，所有人都認為沒有用，但一百年後的今天，你手機里所有的晶元、電腦、互聯網的發明都源於一百年前的理論。也許一百年後你的生活從早到晚全是暗物質。」

物理期待中國的首顆暗物質粒子探測衛星能帶給我們更多的發現。