难以捉摸的暗物质 – 星明天文台

作者|刘少华

审核|董晨晖

编辑|杜飞

银河系模拟图。来源|NASA

　　暗物质与暗能量是如今天文学的热点研究话题，科学家们一直想搞懂它们究竟是什么。根据Planck（欧洲航天局普朗克卫星）最新的探测数据表明，宇宙总质量中，68.3%为暗能量，26.8%为暗物质，我们熟悉的普通物质只占了4.9%，这让人感到震惊，我们了解的普通物质竟只是宇宙中的一小部分，而暗物质与暗能量却在宇宙质量中占比如此大，但是我们对它们却几乎一无所知。暗物质与暗能量究竟是什么，如今还是一个巨大的未知谜团，被誉为21世纪物理学上空的两朵乌云。

　　今天小星带领大家先来了解一下暗物质的历史，基本性质，以及其研究方法。

Planck发布的宇宙微波背景图。来源|ESA

　　1933年，瑞士天文学家弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）通过对后发星系团的研究，利用位力定理(virial theorem)，发现一些星系运动速度太快，如果只存在普通物质，则星系团的总质量无法将这些星系束缚，因此他推断，普通物质只占整个星系团质量的很小一部分，星系团内部一定有大量的未知物质，这些物质被弗里茨·兹威基称为暗物质。这是暗物质存在的最早间接依据之一，后续科学家们进一步观测与研究，暗物质存在的间接依据也越来越多，例如引力透镜效应、宇宙微波背景辐射、星系团碰撞、大尺度结构的N体模型等，其中最具有代表性的当属美国天文学家薇拉·鲁宾、肯特·福德和肯·弗里曼的证据。他们在二十世纪六七十年代对一些星系中的星体运动速度进行了测量，绘制了星体的运动速度和其与星系核心距离的关系，这被称为星系旋转曲线，他们发现在距离星系核心较远的地方，星体的运动速度相比引力理论预言的要大许多，因此要么需要修正引力理论，要么存在暗物质以使星系能够束缚住外围物质。

M33星系的旋转曲线，实际观测与理论预言不符。来源|文献4

　　虽然有很多的证据都间接的表明暗物质的存在，也得到了绝大多数科学家的认可，但暗物质的本质到底是什么，是由什么基本粒子组成的，目前仍然不清楚，有些科学家认为暗物质可能不存在，但其在理论修正与解释观测现象上困难重重。基于主流的说法，目前科学家通常认为暗物质是一种电中性、非重子、稳定、长寿命、弱作用的基本粒子，且超越了粒子物理标准模型，不参与强相互作用以及电磁相互作用，一般只有引力作用，无法用光学方法观测到。根据大爆炸初期的暗物质速度，可将暗物质可分为热暗物质和冷暗物质（还有一些其他分类），其中冷暗物质占据比例较大，在宇宙中大量存在。目前作为暗物质的候选者有很多，如大质量弱作用粒子(WIMP)、sub-GeV暗物质（惰性中微子）、（类)轴子暗物质（Axion）、原初黑洞暗物质等。

标准模型中的基本粒子。来源|文献3

　　对于暗物质的研究，理论物理学家与实验物理学家都进行的大量的尝试，如今理论物理学家关于暗物质理论就有数百种，而实验物理学家也提出了许多观测手段。由于暗物质理论太多，篇幅限制不在此叙述。而对于暗物质的探测，目前主要有三种方法：直接探测，间接探测，对撞机探测。对撞机探测的原理是利用粒子加速器（如欧洲核子中心大型强子对撞机LHC），将高能的质子对撞，从而产生暗物质粒子，如果产生暗物质则会带走一部分能量，通过分析来确定暗物质的存在，但是目前还未发现相关现象。间接探测原理是通过暗物质弱作用的相互湮灭，产生我们所熟知的标准模型粒子，分析末态粒子来间接探测暗物质的存在，如对高能宇宙射线、高能伽马射线、高能中微子、高能电子等研究。直接探测是目前使用最多的探测方法，其原理是让暗物质直接与普通物质反应产生信号，通过制造精密的仪器来确定暗物质是否存在。基于暗物质粒子与核子散射的测量，是目前最主要的暗物质直接探测方式。

暗物质的三种探测方式。来源|文献3

　　最后再来讲讲我国对于暗物质研究。虽然我国对暗物质研究起步较晚，但通过我国科学家的不断努力，已经达到了国际水平，有些领域显现出逐渐领跑的趋势。2010年我国首个极深地下实验室中国锦屏地下实验室CIPL建成，目前是世界上深度最深、宇宙线通量最低的地下实验室，如今CJPL-II（二期工程）地下实验室已基本建成，部分投入使用。2015年，暗物质粒子探测卫星(DAMPE)发射成功，这是我国第一个空间高能粒子探测器，根据征名后最终将DAMPE命名为“悟空”，它的科学目标之一便是通过观测高能电子、伽马射线来探测暗物质粒子。与目前同类型的其他探测器相比，DAMPE“悟空”的能量分辨率更高，测量能量范围更大。虽然当初“悟空”的设计使用是3年，但已两次延寿，目前仍在运行。