100分的悟空和看不见的暗物质

科普中国-科技让生活更美好 2017-11-14

　　出品：科普中国

　　制作：悟空粉丝团

　　监制：中国科学院计算机网络信息中心

　　据新华社消息，10日，国家重点研发计划“基于暗物质粒子探测卫星的科学研究”项目启动会在南京举行。截至目前，暗物质卫星“悟空”已正常运转328天，飞行5011轨，姿态稳定，已完成全天区覆盖，共探测事例（包含各种粒子信息的数据）约16亿个。

　　去年12月17日发射升空的“悟空”是目前世界上观测能段范围最宽、能量分辨率最优和粒子鉴别能力最强的暗物质粒子探测卫星。随着时间推移，“悟空”的表现越来越好，等到三个月的在轨测试结束后，所有参与评审的专家给其表现打了100分。

　　走进神秘暗物质

　　我们对暗物质一词并不陌生，它曾多次出现在电影、科幻小说和电脑游戏中，这些作品往往会赋予暗物质超乎寻常的特性。这些描述通常与暗物质在物理学和宇宙学中的已知特性不符。例如在电脑游戏中，暗物质常常被描述成一种黑色或类似颜色的用于制造武器装备的材料。

　　关于暗物质的“传说”：“暗物质枪”是电脑游戏《雷神之锤4》中最强大的武器。

　　那么，暗物质到底是什么呢？时至今日，这仍然是科学家们试图解答的谜题。你我都由中子、质子和电子组成。利用宇宙线和加速器开展的粒子物理实验告诉我们，一系列粒子彼此交互、形成了我们看到的世界。标准模型描述了所有已知粒子和它们之间的相互作用。但天文学观测、计算机模拟及核理论计算都使我们相信，标准模型仅能解释宇宙中很小的一部分质量。宇宙中的其它成分是什么？已有测量显示，宇宙中还有约26.8%的暗物质和约68.3%的暗能量。

　　普朗克卫星团队于2013年对宇宙组分及其所占比例做出的修正（右侧为修正结果），下方色块从左到右依次为暗能量（黄色）、暗物质（桔色）、普通物质（红色）

　　关于暗物质的证据最初于上世纪30年代浮出水面。天文学家茨威基（Fritz Zwicky）发现，被引力牵引在一起的星系的运动不符合万有引力定律，除非星系团中存在大量用望远镜看不到物质。此后数十年中，更精细的理论和更灵敏的实验工具不断发展，相关发现进一步验证了暗物质的存在。到上世纪90年代，除星系运动，人们还找到了其他证据。例如，宇宙中的星系和其它大型结构的形成、来自早期宇宙的宇宙微波背景辐射中的温度波动模式等。

　　诸多证据显示暗物质在宇宙中确实存在。科学家们开始不遗余力的探究暗物质的成分。它会不会是由类似褐矮星和大型行星的熟悉天体组成的呢——由标准模型中的“原料”构成但不发光，所以对天文学家来说是不可见的？理论和实验最终均显示这种简单的解释并不可靠，暗物质对于我们来说是全新的，相关研究需要“另辟蹊径”。一系列实验随之展开，科学家们开始在标准模型之外寻找能够解释部分或全部暗物质的新型粒子。与此同时，理论物理学家开始发展各种富有创造性的理论，猜测何种新粒子能够将星系运动、大尺度结构和宇宙微波背景的变化“一网打尽”，解释所有观测到的现象。

　　小贴士：暗物质和引力

　　在此要特别提一下暗物质和引力之间的关联。我们目前对暗物质的了解来自于天文学，相关天文观测进行推测的基础是暗物质参与的引力相互作用。科学家通过两种方式研究引力对天体的影响：观测引力对天体运动方式的影响，或引力对光线传播方式的影响。从实验角度看，没有理由相信暗物质会与普通物质或其自身发生除引力之外的任何相互作用，尽管在理论上有不少与之对立的推测。

　　天文学家开始研究星系和星系团的运动后，人们对暗物质的认识逐步发展。一个长度为15万光年的星系包含的暗物质是普通物质的2-10倍，暗物质产生的引力对其运动会产生重要影响。在太阳系中，普通物质集结成块（恒星和行星），而暗物质则向外扩散。一般来说，星系由大部分空白空间和密度很大的普通物质集合体交错而成。

　　单个太阳系中包含的普通物质远远超过暗物质，暗物质对塑造太阳系所起的作用并不大。在更大的尺度结构上，观测显示暗物质和普通物质对星系运动方式的影响不分轩轾。在最大的尺度结构上，暗物质对决定星系团和超星系团（星系团组成的群和集团）的运动方式起关键作用。要研究暗物质，我们需要研究大小达到或超过星系尺度的天体。