暗物質是什麼?究竟有沒有暗物質?沒有比這個更清楚更權威的科普

                             

暗物質是什麼?究竟有沒有暗物質?沒有比這個更清楚更權威的科普

造就第317位講者 袁強

  • 紫金山天文臺研究員
  • 暗物質粒子探測衛星「悟空」團隊成員

暗物質這個概念是怎麼來的呢?這要從一個方程講起。

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我們可以把它稱作宇宙的定律,它的名字叫「愛因斯坦場方程」,它有另外一個名字叫「廣義相對論場方程」,它還有一個低配版本,就是「牛頓萬有引力定律」,想必知道的人可能會更多一點。

這個方程描述的是宇宙中的物質彼此之間的引力關系,但是在天文觀測中,我們很多時候發現這個方程好像有不成立的情況。

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暗物質就是從這樣的一些反常的現象中發現的。

人類如何發現暗物質可能存在?

在愛因斯坦還沒有出生的時候,人們用牛頓定律來理解天體運動。

當時,大傢隻知道太陽系有七大行星,從裡到外依次是水星、金星、地球、火星、木星、土星和天王星。它們都在引力作用下繞著太陽運行。

通過牛頓萬有引力定律,人們可以準確地計算出每一顆行星的運行軌跡,可以預期這顆行星今天應該出現在什麼位置,明天應該出現在什麼位置。不光是太陽對它們的影響,甚至行星之間的相互作用和運行規律我們都能很好地掌握,計算結果與觀測結果都能對得上。

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唯獨最外圍的天王星是個例外,它的運動始終體現出那麼一些不規律性,人們預期它應該在某個位置,事實上它總是會偏一點,讓人非常困惑。

1843年到1846年間,兩位年輕的天文學傢,英國的亞當斯(John Couch Adams)和法國的勒維耶(Urbain Jean Joseph Le Verrier),他們分別通過萬有引力定律推算出在天王星之外還有一顆不為人知的行星,正是它影響瞭天王星的運動。

1846年,德國的天文學傢伽勒(Galle Johann Gottfried)用望遠鏡在亞當斯和勒維耶預測的天區發現瞭這顆行星,也就是後來為人所知的海王星。

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這個事情給我們一個什麼啟發呢?就是說,如果你發現已有的定律什麼地方不太對勁,那麼這很可能意味著,在某些地方存在某些不為人知的東西。

這個現象,持續困擾著學界。

到瞭1930年,瑞士的天文學傢茲威基(Fritz Zwicky)在觀察星系團(由相互之間有一定力學聯系的若幹個星系集聚在一起組成的星系集團)的時候發現瞭一個奇怪的現象,有些星系的運動速度遠遠超過瞭它所在的星系團本身的逃逸速度。

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逃逸速度是一個什麼概念?大傢知道,當我們發射的火箭和宇宙飛船達到第一宇宙速度的時候,它們就能繞著地球做勻速圓周運動,如果這個速度更快,達到所謂的第二宇宙速度,那麼飛船或者火箭就能脫離地球引力,飛離地球,這就是逃逸速度。

之所以說茲威基發現的這個現象非常不可思議,是因為按照原有的認知,這個星系團早就應該分崩離析瞭。於是他提出瞭一個大膽的猜測,認為這個星系團裡面很可能存在一些我們還看不到的物質,它們提供瞭額外的引力把這些星系牽制住,使得它們不會跑掉。

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這是暗物質存在的一個強有力的證據,茲威基現在也是公認的暗物質研究先驅。

1970年左右,人們又發現瞭另外一個現象,即星系外圍物質的運動規律與星系旋轉曲線相悖。星系旋轉曲線,是指星系中不同位置的天體繞星系中心運動的速度遵循「越靠近太陽,速度越快,越遠離太陽,速度越慢」的規律。我們可以根據萬有引力定律推算出星系在不同位置的預期速度。

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但現實如圖所示,我們看到綠色的點越往外速度越快,跟我們的經驗完全背道而馳。

這個現象再次指向瞭此前的猜測——在星系的黑暗區域,很可能存在著大量物質,提供瞭某種引力,加快瞭其它天體的運動速度。迄今為止,類似的證據不勝枚舉。有人可能心裡會犯嘀咕:會不會是愛因斯坦的方程出問題瞭呢?

這種可能性是完全存在的。愛因斯坦的理論顯然不應該是宇宙的終極理論,未來,我們有可能會超越愛因斯坦。在我們對這個問題的研究過程中,有兩個值得註意的地方:

第一,我們對愛因斯坦的廣義相對論已經做瞭很充分的檢驗,在我們力所能及的范圍之內,愛因斯坦的理論是精確成立的;

第二,有一些學者也在試圖修改愛因斯坦的理論,但事實上很困難,他們所做的修改往往隻能夠解決某些問題,放到另外的問題上就又說不通瞭,需要做另外的修改,也就是說,至今未有突破。

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這兩點告訴我們:如果宇宙中確實存在暗物質,哪怕現在看起來不那麼好理解,那麼我們這個宇宙反而是更容易理解的。

甚至,暗物質最好是存在的。它的存在對我們來說很關鍵,因為它可以加速星系的形成。如果宇宙中沒有暗物質,就沒有銀河系,沒有太陽系,也就沒有我們人類自身。所以說,某種程度上我們也得感謝暗物質,給瞭我們存在的機會。

暗物質是怎樣的一種存在?

既然我們相信暗物質的存在,或者說希望它存在,那麼它到底是什麼樣的東西呢?目前,我們對暗物質的理論定義是:通過天文觀測推斷出來的可能存在於宇宙中的一種不可見物質。這就是把它叫做「暗物質」的原因。

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這個動畫展示計算機模擬出來的暗物質在宇宙中的分佈狀況,我們的銀河系大概就相當於畫面中的一個小點,由此可見宇宙有多麼宏大多麼壯觀!

那麼暗物質在其中的占比是多少呢?從能量的角度看,占瞭68%;從物質的角度看,占瞭27%;而我們所熟悉的那些普通物質,隻有5%。概括地來說,暗物質在宇宙中處於一種稀疏、不均勻分佈的狀態,在亞星系尺度上有一些團狀結構。

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理論上說,地球附近包括我們周圍也應該有暗物質。根據天文學傢的測量,一個立方厘米,就是我們一個手指頭這麼大的空間裡面,暗物質的質量大概等同0.3個氫原子,如果我們把整個地球的暗物質收集起來,總共不到一公斤,所以暗物質對我們的生活幾乎沒有任何影響。

普通物質是由各種各樣的粒子構成的,如果暗物質存在的話,那它可能是什麼樣的粒子呢?

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這個表是粒子物理的標準模型,已知的宇宙都是由這些粒子構成的,但是當我們拿它去跟我們認識到的暗物質屬性做比對的時候,卻發現沒有一種已知的粒子可以滿足這些屬性。這說明瞭暗物質很可能是一種超出標準模型的新粒子,更具體來說,是一種弱相互作用的大質量粒子。目前我們對暗物質的認識,也就到這一步。

如何尋找暗物質?

既然我們對暗物質有瞭這麼一個框架性的或者叫方向性的認知,下一個問題自然就是:我們能不能探測到這樣的粒子,以及如何探測?

目前的辦法有這麼幾種:第一種比較簡單粗暴,通過高能粒子對撞,直接把暗物質造出來,但是位於歐洲核子中心的全球最大型粒子對撞機,至今還未發現暗物質的存在。

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第二種辦法可以叫「入地」。我們身邊的這些暗物質粒子,它有可能和我們有一種很微弱的相互作用,需要非常精密的儀器才能探測到,由於空氣中有大量的宇宙射線粒子,它們會對實驗形成很強的幹擾,所以我們必須把實驗放在很深的地下實驗室去做。

中國在四川錦屏山下建瞭深地實驗室,目前正在開展兩個暗物質探測實驗,照片上是上海交通大學PandaX暗物質探測團隊,雖然至今也還沒發現暗物質粒子的信號,但他們對暗物質粒子屬性給出瞭一個很強的約束,已經是目前世界上靈敏度最高的實驗結果。

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第三種辦法就是「上天」,因為暗物質湮滅之後會產生一些標準模型粒子,也就是普通粒子,而地球大氣層把這些粒子的大部分都擋在瞭外面,通過發射衛星探測器,我們在大氣之外觀察這些宇宙高能射線粒子,可以間接地尋找暗物質。

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我們有一顆叫做「悟空」的暗物質粒子探測衛星,它是全世界觀測能段最寬、分辨率最高、本底最低的暗物質探測器。

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「悟空」這個名字是由一位叫林磊的網友取的,他是一位天文愛好者。這個名字取得非常傳神,從字面意思看,是「領悟虛無」,正好跟探測暗物質的這個事情契合;其次,孫悟空有一雙能看清宇宙萬象的火眼金睛,我們的探測器也應該具備這樣的能力。

那麼悟空看到瞭什麼東西?

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我們去年底發表瞭第一個成果,在國際上引起瞭很大的反響。橫軸是宇宙射線裡一種叫電子的能量,縱軸反映的是不同能量的粒子數。

這個圖隻是反映我們看到的現象,還有很多無法解釋的東西,比方說圖上有一個點好像突然就跳上去瞭,這裡是不是存在暗物質呢,還需要進一步的研究。

《自然》和《科學》的社論稱,悟空開啟瞭中國空間科學的新紀元。

如果找不到暗物質?

如果找不到暗物質怎麼辦呢?這是我經常被問到的一個問題。

我認為找到暗物質當然很好,那將是一個非常大的進展。但就算沒有找到暗物質,也並不代表我們的努力是沒有意義的。它意味著我們需要去突破愛因斯坦的理論,我們對宇宙基本規律的認知,還需要一個飛躍。

在熱力學能量守恒定律被提出來以前,曾有很多人想制造出「永動機」,盡管最後都以失敗而告終,但這些失敗的嘗試很大程度上推動瞭我們最終發現能量守恒定律。

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當然,我個人不希望暗物質的探測是這樣的一種結局。

人類為什麼要探索宇宙?對我而言,就是我為什麼要去探索暗物質?即使明知道它對我們生活的影響微乎其微。

回顧歷史我們就會發現,基礎科學的每一次突破,都會帶來技術上的重大飛躍,對我們的思維方式和生活方式產生重大影響。

暗物質究竟能夠給我們帶來什麼?

誰又知道呢?

編輯:漫倩

校對:其奇

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