暗物质——宇宙的乌云

自从牛顿提出引力定律以来，科学家对天体的运动规律便有了相对准确的预测模型。无论是从苹果从树上落地，还是行星围绕太阳的轨道，这些现象都可以通过引力定律来解释，科学家甚至仅通过理论计算便预先得知了海王星的存在。按照经典的牛顿引力理论，星系中的恒星和气体受到星系中心引力的作用，其旋转速度应该随着离中心距离的增加而逐渐减小。比如我们所居住的太阳系，其中的行星运动便是越靠近太阳的行星运行速度越快，而越远离太阳的行星则运行越慢。

然而随着光谱仪的发展，科学家在通过对越来越多星系的旋转曲线进行测量发现，不论是在螺旋星系还是椭圆星系中，外围恒星的旋转速度几乎与星系中心保持一致，而不是预期的逐渐减慢。这样的观测结果意味着在星系的外围一定存在一种无法用可见物质解释的额外引力，支撑着恒星以超乎预期的速度旋转。

这一发现最早可以追溯到20世纪30年代，瑞士天文学家弗里茨·兹威基在研究后发座星系团时注意到这一现象。兹威基发现，星系团中星系的运动速度远远超过了星系团的可见物质所能提供的引力。按照传统的引力定律，如果没有足够的引力来约束这些星系，它们早就应该被甩出星系团。但事实却并非如此，星系团中的星系依然稳定地聚集在一起。基于这种观测结果，兹威基提出了一种大胆的假设：在星系团中存在一种我们看不见的“暗物质”，其质量远远大于可见物质，提供了额外的引力来维持星系团的结构。但在当时，这种观测结果与相关推测仅局限于个别星系中，其对暗物质的概念也更加模糊。

到了1980年代，杰出的女性天文学家、暗物质研究先驱维拉·鲁宾及其同事通过观测大量螺旋星系的旋转曲线，进一步证实了暗物质的存在。鲁宾在她的研究中发现，星系外围恒星的旋转速度与星系中心恒星的速度几乎相同，这种情况在数百个星系中都得到了重复验证，其中包括距离我们所处银河系最近的仙女座星系。

图维拉·鲁宾与旋转速率曲线

既然天文学的观测结果说明了宇宙中存在大量暗物质，其甚至占全部物质总质量的85%。但仅以理论推衍却是无法呈现出直观的效果，想要对暗物质进一步展开研究，就必须捕捉到它。什么是暗物质，它是气态、离子态、还是哪一种未知的状态？我们选取一些探索方式展开介绍。

图暗物质多种实验探测方式原理示意图

引力透镜：通过光的弯曲窥探暗物质

引力透镜不是常规概念中真实存在的透镜，而是一种现象，是爱因斯坦的广义相对论预言的一种宇宙效应。简单来说。当光线经过一个巨大质量的天体附近时，光的路径会发生弯曲，就像透过一块巨大的放大镜或透镜。哈勃太空望远镜在阿贝尔1689星系团中的观测结果为研究提供了重要支持。

图Abell1689的强引力透镜效应

阿贝尔1689是一个距离地球大约22亿光年的巨型星系团，其内部包含着数千个星系和大量的暗物质。哈勃太空望远镜拍摄到的图像中，显示出强引力透镜效应形成的“透镜弧”，这些弯曲的光弧实际上是来自更遥远背景星系的光在穿过阿贝尔1689时被弯曲的结果。通过分析这些弯曲的光线，科学家们可以推算出阿贝尔1689星系团的质量分布。引力透镜效应如暗物质留下的“指纹”，帮助科学家绘制出看不见的质量是如何在宇宙中分布的。

黄金探针：地下实验室的核反冲信号

既然无法直接观测暗物质的形貌，那么捕捉暗物质与普通物质发生的微小反应是一种可行方案。当暗物质穿过实验探测器会撞击到探测器中的原子核，使得原子核发生反冲。这种反冲非常微弱，就像是我们用微风吹动了一粒尘埃，几乎难以察觉。所以暗物质探测实验的首要挑战是如何屏蔽来自宇宙射线的干扰。宇宙射线是来自外太空的高能粒子，穿透力极强，这种信号会干扰真正的暗物质粒子信号，因此实验必须采取多重屏蔽措施。

科学家们选择将实验室设置在深山或矿井之下，利用厚厚的岩石层作为天然屏障，才能将宇宙射线的强度降低到可接受的水平。随着深度的增加，宇宙射线的强度会指数级减弱。故此，世界各国都在大力建设深地下实验室，用于暗物质探测研究，例如位于南达科他州的DUSEL、加拿大的SNO、法国的Modane以及位于我国四川省锦屏山的锦屏地下实验室（CJPL）。

锦屏地下实验室是全球最深的地下实验室之一，岩石覆盖超过2400米。由于其深度和天然屏蔽效果，锦屏地下实验室被认为是目前全球背景辐射最小的实验室之一，成为PandaX-4T和CDEX等暗物质探测项目的重要基地。

图世界各地代表性地下实验室和暗物质与中微子实验

痕迹追踪：来自太空的宇宙射线

理论上的暗物质候选体多种多样，其中一种称为“弱相互作用大质量粒子”(weaklyinteractingmassiveparticles,WIMP)的候选粒子被认为最可能构成暗物质。对它们的间接探测就是探索其发生湮灭或衰变后留下的痕迹，如伽马射线、宇宙射线或者幽灵般的中微子等。

伽马射线是一种能量极高的电磁波，通常会在宇宙中非常剧烈的事件中产生，比如超新星爆发或黑洞周围的剧烈活动。但如果暗物质粒子在相互碰撞时发生了湮灭，就有可能释放出伽马射线。当观测到宇宙中某处的伽马射线的亮度比预期要高得多时，便可以猜测是大量暗物质粒子在此区域发生了湮灭。除了伽马射线，科学家们还在追踪一种特殊的粒子流--宇宙射线。它通常是由太阳风、超新星爆发或其他天体事件产生的。但如果暗物质粒子在湮灭或衰变时也释放出这些粒子，我们就能在宇宙射线中找到一些异常，它们可能会产生一种特殊的粒子对，比如正电子和反质子。为了观测并分析伽马射线与宇宙射线等信息，中国科学院部署了战略性先导科技专项支持，DAMPE卫星--“悟空号”于2015年研制完成并于当年12月17日成功发射。

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图悟空号探测器配置示意图与其对宇宙射线例子电荷的测量结果

悟空号的能量分辨率极高，其传回的数据中观测到约250个伽马射线源，包括活动星系核、脉冲星和脉冲星风云、超新星遗迹、伽马射线双星等天体类别。

暗物质，这一看不见、摸不着的神秘物质，是笼罩在宇宙中的一片乌云。尽管它不发光也不反射光，但它的引力作用无处不在，塑造着星系的旋转、宇宙的结构，甚至可能影响着宇宙的未来。在追寻它的过程中，人类就像黑暗中前行的旅人，从20世纪早期的星系旋转异常，到维拉·鲁宾的开创性观测，再到现代引力透镜的微妙弯曲和地下实验的“黄金探针”，科学家们正在用多种手段拼凑出暗物质的轮廓。

各国最先进的探测器和实验室，就像在无边夜色中点燃的无数萤火虫，正为这片黑暗带来微光。引力透镜的光弯曲、伽马射线望远镜的异常信号、液态氙探测器中的核反冲闪光……这些点滴的“微光”正在逐渐汇聚，指引我们向着答案的方向前行。

参考文献

[1]徐世佳.Abell1835强引力透镜效应的研究[D].上海师范大学,2015.

[2]袁强,常进.暗物质粒子探测卫星研究进展[J].科学通报,2021,66(11):1299-1306.

[3]祖磊.暗物质相关理论研究[D].中国科学技术大学,2021.

[4]肖梦姣,黄俊挺,韩柯,等.暗物质探测和无中微子双贝塔衰变实验[J].现代物理知识,2024,36(01):13-21.

策划制作

作者：蔡文垂 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研究生

审核：刘茜 北京天文馆研究员