暗物質：探秘宇宙中的「幽靈」

暗物質到底是什麼?「人類身體每時每刻都有暗物質穿過，但我們卻感受不到。」在科學家們看來，暗物質也同樣「神秘」，「它們不發光，卻有引力，宇宙中暗物質比可見物質多得多，其壽命長遠大於137億年……」

日前，中國科學院宣布今年年底將發射一顆暗物質粒子探測衛星，並啟動了該衛星的命名儀式，這顆衛星的重要使命就是尋找暗物質存在的證據。從20世紀30年代至今，科學界從未停止對暗物質的探索。那麼，到底什麼是暗物質?如何找到它?

暗物質從沒被「看」到過

「宇宙中，我們所能看見的物質，都因為帶有電子而能『發光』，而我們能觸碰一張桌子、一面牆，感覺到它們的存在，是因為有電磁場的相互作用。不過，暗物質是不帶電荷的，也沒有電磁場的相互作用，能像幽靈一樣穿透阻礙物，並不能為我們所看到或感覺到。」暗物質衛星首席科學家、紫金山天文台副台長常進如此描述「暗物質」。

據了解，暗物質最早是由天文學家無意中發現的。20世紀30年代，瑞士天文學家茨威基研究發現，在星系團中，看得見的星系佔總質量的1/300以下，而99%以上的質量是看不見的。這一結論意味著星系團中有某種神秘物質被人忽略。

之後，越來越多的宇宙觀測結果驗證這一觀點的可信性。暗物質粒子探測衛星項目組成員、紫金山天文台助理研究員馮磊介紹，支持暗物質假說主要的觀測證據之一則就是旋轉曲線。科學家在研究漩渦星系時，科學家發現，其吸引力所需要的質量遠遠超出我們所能觀測到的物質總量，否則行星就會衝破引力的束縛飛向茫茫宇宙。暗物質衛星科學應用系統副總設計師範一中告訴記者，「我們從來沒有直接『看到』宇宙中存在這種物質，但我們卻發現了由於這種物質的引力作用對於其他可見的物質運動的影響，這是我們斷定宇宙中存在這種物質的理由。」

那麼，暗物質到底是什麼?馮磊解釋說，通常認為暗物質是一種不發光、不發出電磁波、不參與電磁相互作用的全新粒子。據悉，根據引力效應，天文學家估算，宇宙由27%的暗物質、68%的暗能量和5%的普通物質組成。這些看不見的「大多數」好像披上了隱身外衣一樣，使得長期以來，在宇宙中佔比最多的東西反而是人類最遲也是最難了解的，至今僅知道它們存在，還不清楚它們的性質。

探測暗物質有三種方法

在最新一季的熱播美劇《生活大爆炸》中，科技狂人謝耳朵也開始研究起了「暗物質」，他全副武裝準備到地下探測「暗物質」。

謝耳朵不知道的是，探測暗物質並不容易。暗物質除了不發光外，還在於它的速度快，並且難以捕捉。據科學家測算，暗物質粒子每秒的運動速度為220千米，是56式半自動步槍子彈出膛速度的300倍。並且它們穿過人體時，不會留下任何痕迹，人體完全沒有感覺。

范一中表示，目前，實驗中還沒有確定的暗物質信號被探測到。國際上對暗物質探測方式主要分為3類。第一類是加速器探測，這方面主要的探測設備是歐洲核子中心的大型強子對撞機;第二類是在地下進行的直接探測，中國在四川錦屏山地下實驗室中正在開展相關實驗;第三類是間接探測，主要是在空間進行。而中科院年底將發射的探測衛星就是採用這種間接探測方式。范一中向記者解釋說，因為物理學家們認為暗物質粒子的湮滅或衰變會形成各種正粒子、反粒子對，這些粒子對在太空中傳播就成了宇宙中宇宙射線和伽馬射線的一部分。而這顆即將發射的暗物質粒子探測衛星，就是收集高能宇宙線粒子和伽馬射線光子，通過其能譜、空間分布分析來尋找暗物質粒子存在的證據。「簡單來說，暗物質粒子穿過探測器過程中，和探測器發生作用，此時通過電子學將其信號記錄下來，其過程類似於照相機的底片曝光。」暗物質衛星科學應用系統總設計師伍健對記者說。

常進表示，衛星將全面接收來自宇宙的高能電子和伽馬射線，這相當於在宇宙中放置了一台除去大氣層面紗的「超高清望遠鏡」。范一中告訴記者，其實在用間接探測方式的嘗試中，國際上已經開始了相關嘗試。諾貝爾獎獲得者丁肇中研製的阿爾法磁譜儀2號、日本發射的量能器電子望遠鏡等等都是暗物質的間接探測。據了解，阿爾法磁譜儀是人類送入宇宙空間的第一個大型磁譜儀。2013年由丁肇中領導的研究團隊宣布，阿爾法磁譜儀發現了「弱作用重粒子」存在的證據，而「弱作用重粒子」就是一種暗物質的候選體，意味著人類向認識暗物質方向前進了重要一步。去年9月，丁肇中團隊和東南大學發布合作研究成果表示，暗物質存在實驗的6個有關特徵中，已有5個得到確認，進一步顯示宇宙射線中過量的正電子可能來自暗物質。

國際科技界認為，未來10到20年將是暗物質探測的黃金時代。

為什麼要找暗物質

那麼，苦苦尋找暗物質到底有什麼用呢?范一中說，現代物理學取得了巨大的成績，絕大部分現象可以在粒子物理標準模型的框架中得到滿意的解釋。但暗物質並不適用，這讓物理學的天空懸著一朵「烏雲」。

據悉，對暗物質的研究長久以來是粒子物理和宇宙學的核心問題之一。此外，尋找暗物質粒子、研究暗能量的物理本質、探索宇宙起源及演化的奧秘以及結合粒子物理和宇宙學的研究已成為21世紀天文學和物理學發展的一個重要趨勢。

「弄清楚暗物質的性質，對於我們進一步了解宇宙中星系、星系團等如何在宇宙演化過程中形成，具有十分重要的意義。」范一中說。

常進表示，目前首要的任務是找到暗物質，摸清楚它的物理特性，從而在物理學上進行分析。「上個世紀，量子力學和相對論被發現的時候，誰也不會想到它們對我們的生活影響有這麼大，但現在大家用的手機等等，都和這些發現有關。所以，暗物質如果找到了，它就有可能進入我們的生活，很可能在不久的將來影響我們的下一代。在伍健看來，從科學探索的角度來說，此次發射衛星探測暗物質本身就是滿足人類求知慾的過程，其本身並不會直接產生經濟效益，但在這一過程中勢必會推動探測材料和技術的發展。

暗物質粒子或比想像更「輕」

科學界普遍認為，暗物質占宇宙總質量的84.5%，但迄今仍未有人或探測器直接見其「真身」。最近，英國科學家研究認為，暗物質粒子或許比以往所認為的要更加「苗條」、更「輕」一些，其質量僅為電子質量的0.02%。儘管這種粒子不會與光發生相互作用，但它與普通物質之間的相互作用非常強烈，而且，其或許無法穿透地球的大氣層，因此也就不太可能被地面探測器發現。

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