[科普中国]-寻找看不见的物质

2015年12月17日，中国首颗暗物质粒子探测卫星DAMPE发射。这是中国科学家们的身影又一次出现在“两暗一黑”问题的探索之路上。
你或许听说过“暗物质”吧？我们都知道身边的物质是由原子组成的，而原子又是由质子、中子、电子等粒子组成。那么，暗物质又是什么，由什么组成？它为什么那么重要，以至于各国科学家们，利用各种先进仪器，在地下深处或是太空中夜以继日地追寻着它的踪迹？
为什么说存在着暗物质？
既然我们身边的事物都是由普通物质组成的，那为什么还会认为自然界中存在着暗物质这种东西？
天文学家们是从20世纪30年代开始意识到宇宙中存在着看不见的暗物质。1933年，瑞士的天文学家弗里茨•兹威基（Fritz Zwicky）对距离地球3.2亿光年、由超过3000个星系组成的后发座星系团进行了观测。
他采用了两种不同的方法来测量星系团的质量。第一种方法是对大量星系的运动速度进行分析，因为速度与引力有关，所以可以间接估计出星系团的质量。用这个方法得到质量称为“力学质量”。另一种方法是通过星系团内星系的亮度来估计质量，因为恒星质量越大就越亮。这样得到的质量称为“光度质量”。按说力学质量和光度质量应该相近，然而实际得到的结果是，力学质量比光度质量高了400倍左右！也就是说，力学质量里的绝大部分是我们看不到（不发光）的物质。如果没有这部分“看不见的物质”的作用，那么这个星系团的引力就不足以将其中的星系像现在这样束缚在一起。
到了20世纪70年代，美国天文学家薇拉•鲁宾（Vera Rubin）使用基特峰天文台和洛厄尔天文台的望远镜对距离地球约250万光年的仙女座星系进行观测。她利用多普勒效应测量了这个星系不同半径处，围绕着星系中心旋转的气体的运动速度。按说，离中心越近，引力越大，运动速度应该越快才能产生足够的离心力，抵消掉引力的影响。就像离太阳越近的行星，公转速度就越大。但鲁宾也发现了奇怪的现象：离星系中心不同距离处的气体，围绕中心旋转的速度都差不多。她又观测了其他星系，发现也是同样的情况。鲁宾由此认为，宇宙中存在着我们看不到的物质，为弥散于星系各处的气体提供着引力。
20世纪80年代，科学家正式提出了“暗物质”这个名称。现在普遍认为，组成星系团的质量中，星系只占了百分之几，星系际介质约占20%，暗物质的比例则高达70%～80%。暗物质的所谓“看不见”，不单单是说用我们的肉眼在可见光波段看不见，而是说不论探测什么波段的电磁波，比如红外线、紫外线、X射线、伽马射线等，都看不到它。也就是说，暗物质不发出任何波段的光。
被淘汰的暗物质候选者 暗物质到底是什么，现在还不清楚。我们先来看看科学家已经排除了哪些暗物质的“候选者”吧。
人们首先想到暗物质会不会是那些用光学望远镜很难发现的暗天体，例如行星、褐矮星、衰老的白矮星、中子星、黑洞等。但是所有暗天体加起来，也达不到星系总质量的10%，不足以扮演暗物质的重要角色。
那么，扩大范围，暗物质是由原子组成的吗？研究认为，由原子构成的物质也不足暗物质的1/5，依然无法满足暗物质所需要的量。在宇宙的早期可能存在小型的“原初黑洞”，它们不是从原子组成的恒星演化而来的，所以并不能将之从暗物质候选者中排除掉。但是原初黑洞是否真的存在现在还并不清楚。
子弹星系团是由两个星系团碰撞而形成的。科学家利用引力透镜研究其质量分布的变化发现，暗物质与其他物质几乎没有相互作用，在碰撞的过程中会相互穿越而过。这个性质使人想到了中微子，它既不是原子组成的，也很难与其他物质发生相互作用，而且中微子数量庞大，每秒钟都会有上百万个中微子穿过我们的身体。那么中微子是不是暗物质呢？
20世纪70年代，科学家提出，宇宙中如果只有“可见物质”的话，那么从宇宙诞生至今的这段时间里，就来不及形成现在所观测到的宇宙中的某些结构。1985年，英国苏塞克斯大学的卡洛斯•弗伦克（Carlos Frenk）团队提出，暗物质对于宇宙中恒星和星系等小结构的产生起到了重要的作用：首先，由于偶然性，有些地方的暗物质会聚集得多一些，所以引力更强，暗物质就更易积聚，密度渐渐变大；接下来，由原子组成的物质（气体）也被引力拉过去，很快进一步坍缩，生成恒星和星系等结构；然后，一些星系进一步汇集，形成星系团。就这样，在暗物质的作用下，从星系到星系团，一步步形成了宇宙中的大尺度结构。
但是上述方案的成立是有条件的，就是暗物质必须是很“冷”的，这意味着它们是由低速的粒子构成的。计算显示，如果运动的速度太大，粒子弥散的范围太广，星系这样的小尺度结构就难以形成了。而中微子是以接近光速运动的“热”粒子，加上它的质量也太小，因此也被从暗物质的候选者中排除了。

图1 子弹星系团

这是NASA的哈勃太空望远镜与钱德拉X射线天文卫星、拉斯坎帕拉斯天文台的麦哲伦望远镜捕捉到的子弹星系团（1E0657-556）的合成图。在子弹星系团内，两个星系团以每秒4500千米的速度相互碰撞。粉色代表用X射线观测到的星系际气体的分布。蓝紫色代表星系团的质量分布，这也可以认为就是暗物质的分布。这个质量分布是利用子弹星系团背后的天体所发出的光被星系团的引力效应弯折的现象推算出来的。可以看出，气体发生碰撞后停留在中心，暗物质则互相穿过。（图：NASA等）
暗物质的必要条件
现在我们来总结一下，看看要成为暗物质，都需要满足哪些条件：
1. 不发出任何光
2. 几乎不与任何物质发生碰撞
3. 在宇宙早期时速度几乎是零
4. 宇宙中存在的量大约是可见物质的5倍
科学家认为，满足上述条件、有希望成为暗物质的基本粒子有两种：中轻微子（neutralino）和轴子（axion）。中轻微子是一种理论上预言的粒子，尚未被发现。它不带电，质量是质子的1000倍左右，因为质量大所以运动得很慢。它既不发光，也很少与其他物质发生碰撞。在宇宙中的数密度平均是1000立方米1个。轴子也是一种理论上预言的粒子，它的质量非常小，大约只有质子的100万亿分之1。假如轴子就是暗物质的的话，数密度可以达到1000立方米1017个。从宇宙早期诞生时开始，轴子的速度就几乎为零，这是因为它几乎不与其他粒子发生碰撞，也就无法得到能量。
寻找暗物质
暗物质是现代天文学和物理学的一大谜团。世界上有很多科学团队在试图找到它。实际上，暗物质本身我们根本无法捕获，只能从它与其他物质偶然发生的碰撞所产生的蛛丝马迹，来捕捉它的身影。
最直接的方法就是捕捉暗物质与某个原子核相碰撞时发出的信号。例如我国的锦屏极深地下暗物质实验室，位于四川雅砻江锦屏山的隧道内，上方有厚达2400米的岩石层，可以将穿透力极强的宇宙射线隔绝到只有地面水平的大约亿分之一，为探测暗物质提供了一个几乎没有干扰的环境。实验室使用的是我国自主设计的高纯锗探测器，测量暗物质粒子与锗晶体碰撞时产生的热。加拿大、美国、意大利、日本等国也建有寻找暗物质的地下实验室。

图2 锦屏极深地下暗物质实验室是世界上岩石覆盖最深的实验室

还有间接探测暗物质的方法，就是捕捉暗物质对互相碰撞、湮灭时产生的痕迹。当一对暗物质粒子偶然正碰的时候，会同时湮灭，可能会放出质子、电子及它们的反粒子、中微子和伽马射线。如果能够精确测量到这些粒子的能谱，就可能会发现暗物质粒子的踪影。例如丁肇中教授主持的阿尔法磁谱仪（AMS）实验，就是在太空中高精度地探测反物质粒子的能谱，有可能发现暗物质的踪影。2011年5月19日，奋进号航天飞机将重达6.7吨的AMS-02探测器运送到国际空间站上，展开探测。我国有多个研究单位参与了这一项目。

图3 国际空间站上的阿尔法磁谱仪实验（照片中上部）

中国科学院计划于2015年底左右发射一颗暗物质探测卫星，进行暗物质间接探测实验。这颗卫星既能探测正负电子，又能够观测高能伽马光子，而且具有较好的能量分辨率，希望能捕捉到暗物质的踪迹。

图4 中科院的暗物质卫星

除了捕捉暗物质，科学家们还试图人工制造出暗物质，例如中轻微子。目前最有希望制造出中轻微子的就是位于瑞士日内瓦郊外地下的“大型强子对撞机”（Large Hadron Collider，LHC）。2012年，科学家正是用LHC发现了被称为“上帝粒子”的希格斯粒子。
暗物质占宇宙组成的大约23%，另一种神秘的东西——暗能量占到了大约73%。也就是说，这个宇宙96%的组成我们都还不清楚到底是什么。暗物质是恒星、星系等天体形成的种子，暗物质是什么，直接关系着我们自身的起源。暗物质之谜的解开，也将是粒子物理学的一次飞跃。