宇宙中經常被人們談論起的神秘存在——暗物質

你或許聽說過「暗物質」吧？我們都知道身邊的物質是由原子組成的，而原子又是由質子、中子、電子等粒子組成。那麼，暗物質又是什麼，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？

為什麼說存在著暗物質？DAMPE

既然我們身邊的事物都是由普通物質組成的，那為什麼還會認為自然界中存在著暗物質這種東西？

天文學家們是從20世紀30年代開始意識到宇宙中存在著看不見的暗物質。1933年，瑞士的天文學家弗里茨·茲威基（Fritz Zwicky）對距離地球3.2億光年、由超過3000個星系組成的后髮座星系團進行了觀測。

后髮座星系團

他採用了兩種不同的方法來測量星系團的質量。第一種方法是對大量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。

到了20世紀70年代，美國天文學家薇拉·魯賓（Vera Rubin）使用基特峰天文台和洛厄爾天文台的望遠鏡對距離地球約250萬光年的仙女座星系進行觀測。她利用多普勒效應測量了這個星系不同半徑處，圍繞著星系中心旋轉的氣體的運動速度。按說，離中心越近，引力越大，運動速度應該越快才能產生足夠的離心力，抵消掉引力的影響。就像離太陽越近的行星，公轉速度就越大。但魯賓也發現了奇怪的現象：離星系中心不同距離處的氣體，圍繞中心旋轉的速度都差不多。她又觀測了其他星系，發現也是同樣的情況。魯賓由此認為，宇宙中存在著我們看不到的物質，為彌散於星系各處的氣體提供著引力。

仙女座星系

20世紀80年代，科學家正式提出了「暗物質」這個名稱。現在普遍認為，組成星系團的質量中，星系只佔了百分之幾，星系際介質約佔20%，暗物質的比例則高達70%～80%。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，而是說不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。

被淘汰的暗物質候選者DAMPE

暗物質到底是什麼，現在還不清楚。我們先來看看科學家已經排除了哪些暗物質的「候選者」吧。

人們首先想到暗物質會不會是那些用光學望遠鏡很難發現的暗天體，例如行星、褐矮星、衰老的白矮星、中子星、黑洞等。但是所有暗天體加起來，也達不到星系總質量的10%，不足以扮演暗物質的重要角色。

那麼，擴大範圍，暗物質是由原子組成的嗎？研究認為，由原子構成的物質也不足暗物質的1/5，依然無法滿足暗物質所需要的量。在宇宙的早期可能存在小型的「原初黑洞」，它們不是從原子組成的恆星演化而來的，所以並不能將之從暗物質候選者中排除掉。但是原初黑洞是否真的存在現在還並不清楚。

子彈星系團是由兩個星系團碰撞而形成的。科學家利用引力透鏡研究其質量分布的變化發現，暗物質與其他物質幾乎沒有相互作用，在碰撞的過程中會相互穿越而過。這個性質使人想到了中微子，它既不是原子組成的，也很難與其他物質發生相互作用，而且中微子數量龐大，每秒鐘都會有上百萬個中微子穿過我們的身體。那麼中微子是不是暗物質呢？

20世紀70年代，科學家提出，宇宙中如果只有「可見物質」的話，那麼從宇宙誕生至今的這段時間裡，就來不及形成現在所觀測到的宇宙中的某些結構。1985年，英國蘇塞克斯大學的卡洛斯·弗倫克（Carlos Frenk）團隊提出，暗物質對於宇宙中恆星和星系等小結構的產生起到了重要的作用：首先，由於偶然性，有些地方的暗物質會聚集得多一些，所以引力更強，暗物質就更易積聚，密度漸漸變大；接下來，由原子組成的物質（氣體）也被引力拉過去，很快進一步坍縮，生成恆星和星系等結構；然後，一些星系進一步彙集，形成星系團。就這樣，在暗物質的作用下，從星繫到星系團，一步步形成了宇宙中的大尺度結構。

但是上述方案的成立是有條件的，就是暗物質必須是很「冷」的，這意味著它們是由低速的粒子構成的。計算顯示，如果運動的速度太大，粒子彌散的範圍太廣，星系這樣的小尺度結構就難以形成了。而中微子是以接近光速運動的「熱」粒子，加上它的質量也太小，因此也被從暗物質的候選者中排除了。

子彈星系

這是NASA的哈勃太空望遠鏡與錢德拉X射線天文衛星、拉斯坎帕拉斯天文台的麥哲倫望遠鏡捕捉到的子彈星系團（1E0657-556）的合成圖。在子彈星系團內，兩個星系團以每秒4500千米的速度相互碰撞。粉色代表用X射線觀測到的星系際氣體的分布。藍紫色代表星系團的質量分布，這也可以認為就是暗物質的分布。這個質量分布是利用子彈星系團背後的天體所發出的光被星系團的引力效應彎折的現象推算出來的。可以看出，氣體發生碰撞後停留在中心，暗物質則互相穿過。

暗物質的必要條件DAMPE

現在我們來總結一下，看看要成為暗物質，都需要滿足哪些條件：

·不發出任何光

·幾乎不與任何物質發生碰撞

·在宇宙早期時速度幾乎是零

·宇宙中存在的量大約是可見物質的5倍

科學家認為，滿足上述條件、有希望成為暗物質的基本粒子有兩種：中輕微子（neutralino）和軸子（axion）。中輕微子是一種理論上預言的粒子，尚未被發現。它不帶電，質量是質子的1000倍左右，因為質量大所以運動得很慢。它既不發光，也很少與其他物質發生碰撞。在宇宙中的數密度平均是1000立方米1個。軸子也是一種理論上預言的粒子，它的質量非常小，大約只有質子的100萬億分之1。假如軸子就是暗物質的的話，數密度可以達到1000立方米1017個。從宇宙早期誕生時開始，軸子的速度就幾乎為零，這是因為它幾乎不與其他粒子發生碰撞，也就無法得到能量。

尋找暗物質DAMPE

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在試圖找到它。實際上，暗物質本身我們根本無法捕獲，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。

最直接的方法就是捕捉暗物質與某個原子核相碰撞時發出的信號。例如我國的錦屏極深地下暗物質實驗室，位於四川雅礱江錦屏山的隧道內，上方有厚達2400米的岩石層，可以將穿透力極強的宇宙射線隔絕到只有地面水平的大約億分之一，為探測暗物質提供了一個幾乎沒有干擾的環境。實驗室使用的是我國自主設計的高純鍺探測器，測量暗物質粒子與鍺晶體碰撞時產生的熱。加拿大、美國、義大利、日本等國也建有尋找暗物質的地下實驗室。

錦屏極深地下暗物質實驗室是世界上岩石覆蓋最深的實驗室

還有間接探測暗物質的方法，就是捕捉暗物質對互相碰撞、湮滅時產生的痕迹。當一對暗物質粒子偶然正碰的時候，會同時湮滅，可能會放出質子、電子及它們的反粒子、中微子和伽馬射線。如果能夠精確測量到這些粒子的能譜，就可能會發現暗物質粒子的蹤影。例如丁肇中教授主持的阿爾法磁譜儀（AMS）實驗，就是在太空中高精度地探測反物質粒子的能譜，有可能發現暗物質的蹤影。2011年5月19日，奮進號太空梭將重達6.7噸的AMS-02探測器運送到國際空間站上，展開探測。我國有多個研究單位參與了這一項目。

國際空間站上的阿爾法磁譜儀實驗（照片中上部）

中科院的暗物質衛星

除了捕捉暗物質，科學家們還試圖人工製造出暗物質，例如中輕微子。目前最有希望製造出中輕微子的就是位於瑞士日內瓦郊外地下的「大型強子對撞機」（Large Hadron Collider，LHC）。2012年，科學家正是用LHC發現了被稱為「上帝粒子」的希格斯粒子。

暗物質占宇宙組成的大約23%，另一種神秘的東西——暗能量佔到了大約73%。也就是說，這個宇宙96%的組成我們都還不清楚到底是什麼。暗物質是恆星、星系等天體形成的種子，暗物質是什麼，直接關係著我們自身的起源。暗物質之謎的解開，也將是粒子物理學的一次飛躍。

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