對(duì)于天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，暗物質(zhì)與恒星、行星一樣，都是真實(shí)存在的物質(zhì)。天文學(xué)家可以繪制暗物質(zhì)分布圖，把一個(gè)個(gè)星系視為由“發(fā)光”的普通物質(zhì)點(diǎn)綴著的暗物質(zhì)云團(tuán)。借用暗物質(zhì)，科學(xué)家還成功地解釋了宇宙結(jié)構(gòu)是如何形成和演化的。
然而，經(jīng)過(guò)多年的搜索，人們至今仍然沒(méi)能直接探測(cè)到暗物質(zhì)。人們被籠罩在暗物質(zhì)的云團(tuán)中，卻不知宇宙的暗面究竟為何物。
前不久，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者、美籍華人物理學(xué)家丁肇中在山東大學(xué)演講時(shí)，再次為暗物質(zhì)線索的發(fā)現(xiàn)給出了一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)——2024年。他認(rèn)為，屆時(shí)關(guān)于暗物質(zhì)的來(lái)源，“應(yīng)該能有個(gè)決定性的結(jié)果出來(lái)”。
2024年也是國(guó)際空間站可能的退役時(shí)間，正在國(guó)際空間站上尋找暗物質(zhì)和反物質(zhì)的，是阿爾法磁譜儀。它也是首個(gè)安置在太空中的最強(qiáng)大、最靈敏的精密粒子探測(cè)裝置。
阿爾法磁譜儀項(xiàng)目由丁肇中主持，背后是個(gè)國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)。實(shí)際上，加拿大、意大利、中國(guó)、日本、德國(guó)、美國(guó)等尋找暗物質(zhì)的團(tuán)隊(duì)有很多，有的在天上，有的在地下，眾里尋暗物質(zhì)千百度，還不知它是否在燈火闌珊處。
那么，多國(guó)的科學(xué)精英都在竭盡全力尋找的這個(gè)暗物質(zhì)到底是什么？能最終找到嗎？
文 | 畢效軍 中國(guó)科學(xué)院高能物理所研究員
編輯 | 李浩然 瞭望智庫(kù)
本文為瞭望智庫(kù)原創(chuàng)文章
來(lái)源瞭望智庫(kù)（zhczyj）
宇宙中看不見(jiàn)、摸不著的最神秘力量
我們所知道的物質(zhì)——原子、恒星、星系、行星、樹(shù)木、石頭、我們自己等等，其實(shí)只占了已知宇宙的5%還要少，其余約25%是暗物質(zhì)，剩余的70%是暗能量，后兩者都是看不見(jiàn)的，而且不能發(fā)射或吸收電磁輻射，故而稱(chēng)其“暗”。這意味著我們所感受到的一切，都只是真實(shí)存在的一小部分。
從人類(lèi)開(kāi)始研究暗物質(zhì)至今已有近百年時(shí)間，人類(lèi)為何如此執(zhí)著于探索這些看不見(jiàn)的東西呢？
因?yàn)榘滴镔|(zhì)涉及宇宙產(chǎn)生和演化的一些最基本問(wèn)題，它被科學(xué)家比作“籠罩在21世紀(jì)物理學(xué)天空中的烏云”，是目前國(guó)際科研的最前沿領(lǐng)域之一。
與百年之前相對(duì)論和量子力學(xué)即將誕生時(shí)類(lèi)似，現(xiàn)在人類(lèi)對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)又一次處在了十字路口。毫不夸張地說(shuō)，找到并研究暗物質(zhì)，將是繼哥白尼日心說(shuō)、牛頓萬(wàn)有引力定律、愛(ài)因斯坦相對(duì)論以及量子力學(xué)之后，人們認(rèn)識(shí)宇宙的又一次重大飛躍。
有人可能認(rèn)為，既然暗物質(zhì)隱藏得這么深，我們又怎么確定它存在呢？
盡管暗物質(zhì)不發(fā)射或吸收電磁輻射因而無(wú)法被天文設(shè)備直接觀測(cè)到，但是它的引力效應(yīng)卻影響了其周?chē)梢?jiàn)物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)軌跡，因而能夠被間接探測(cè)到。
以暗物質(zhì)對(duì)太陽(yáng)運(yùn)行軌跡的影響為例，可以清楚了解暗物質(zhì)是如何被探測(cè)到的。
如上圖所示，太陽(yáng)到銀河系中心的距離是2.8萬(wàn)光年，繞銀河系中心旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間是2.3億年。物質(zhì)的引力所產(chǎn)生的向心力可以把太陽(yáng)固定在這樣的軌道上，通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算就可以知道，這需要在太陽(yáng)軌道內(nèi)包含大約1011 MSun（太陽(yáng)質(zhì)量）的物質(zhì)。
然而，可以觀測(cè)到的恒星和氣體的質(zhì)量低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。顯然，還有更多的不可見(jiàn)的物質(zhì)貢獻(xiàn)了更強(qiáng)的引力，如果不存在暗物質(zhì)，那么向心吸引力就要弱很多，太陽(yáng)的旋轉(zhuǎn)速度也要相應(yīng)小很多。
M33星系的旋轉(zhuǎn)曲線
太陽(yáng)是銀河系中的一顆普通恒星，觀測(cè)更多的恒星的運(yùn)行軌道就可以進(jìn)一步推斷星系中暗物質(zhì)的分布信息。
比如，上圖所示是一個(gè)稱(chēng)作M33的渦旋星系中，恒星繞星系中心旋轉(zhuǎn)的速度與其到星系中心距離的函數(shù)關(guān)系示意圖。上邊的曲線是天文學(xué)家觀測(cè)的結(jié)果，而下邊的虛線是根據(jù)觀測(cè)的可見(jiàn)物質(zhì)預(yù)計(jì)的恒星運(yùn)行的速度分布。
我們看到，兩者有著明顯的差別，實(shí)際測(cè)量的運(yùn)行速度要遠(yuǎn)大于計(jì)算結(jié)果，這表明星系中還分布著大量的暗物質(zhì)來(lái)增大引力，這些觀測(cè)結(jié)果就是天文學(xué)家推測(cè)暗物質(zhì)存在的直接觀測(cè)證據(jù)。
而根據(jù)不同距離處恒星旋轉(zhuǎn)速度的大小可以推算暗物質(zhì)在星系中如何分布，我們可以得到如下圖所示的銀河系中的物質(zhì)分布圖。從圖可見(jiàn)，我們銀河系的恒星大部分分布在一個(gè)很小的盤(pán)狀結(jié)構(gòu)中，這就是我們熟悉的銀盤(pán)。在銀盤(pán)外邊包圍著巨大的暗物質(zhì)構(gòu)成的球狀結(jié)構(gòu)，稱(chēng)作暗物質(zhì)“暈”。
銀河系的物質(zhì)分布：普通恒星分布在盤(pán)狀結(jié)構(gòu)上（disk），而暗物質(zhì)則形成一個(gè)巨大的幾乎球?qū)ΨQ(chēng)的暈狀結(jié)構(gòu)，叫做暗物質(zhì)暈（Dark matter halo）
除此之外，其他還有許許多多天文觀測(cè)，均證實(shí)了宇宙中暗物質(zhì)的存在。
比如星系團(tuán)中熱氣體的分布、星系團(tuán)所造成的引力透鏡效應(yīng)、宇宙中微波背景的觀測(cè)等等均在更大的尺度上證實(shí)了暗物質(zhì)的存在。
今天，天文學(xué)家建立了一個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型”，這個(gè)模型中宇宙由68%的暗能量、27%的暗物質(zhì)和5%的普通物質(zhì)組成，可以成功解釋幾乎到目前為止所有的宇宙學(xué)觀測(cè)現(xiàn)象，是當(dāng)前人類(lèi)對(duì)宇宙的最新認(rèn)識(shí)成果。
2暗物質(zhì)究竟是一種什么樣的物質(zhì)？
在研究暗物質(zhì)的歷史中，天文學(xué)家也提出了許多的設(shè)想，比如認(rèn)為暗物質(zhì)是不發(fā)光的小天體如黑洞，或者是中微子等等，但均已被后來(lái)的觀測(cè)所排除。
目前一般認(rèn)為暗物質(zhì)應(yīng)該是由一種全新的粒子構(gòu)成，它不同于我們已經(jīng)了解的任何一種組成我們周?chē)镔|(zhì)的粒子。我們只知道這種粒子應(yīng)該是穩(wěn)定的、不帶電的且運(yùn)動(dòng)速度很慢的粒子，而其具體是什么粒子，以及其質(zhì)量、其相互作用的性質(zhì)如何等都無(wú)法確定。
物理學(xué)家提出了許多的暗物質(zhì)粒子模型，但由于沒(méi)有直接觀測(cè)數(shù)據(jù)的限制，不同的暗物質(zhì)模型中暗物質(zhì)粒子的性質(zhì)相差非常大。在這許許多多的暗物質(zhì)模型中，有一種被稱(chēng)為是“弱作用重粒子”的暗物質(zhì)模型是目前研究最多的。
這類(lèi)模型的出發(fā)點(diǎn)是解釋“暗物質(zhì)在宇宙中如何產(chǎn)生”這個(gè)問(wèn)題，而這一模型認(rèn)為暗物質(zhì)應(yīng)該和普通物質(zhì)一樣是在宇宙的極早期從高溫高密的物質(zhì)狀態(tài)中產(chǎn)生出來(lái)的，這和普通物質(zhì)的產(chǎn)生是同一個(gè)過(guò)程。
在這一前提下，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)暗物質(zhì)質(zhì)量和相互作用強(qiáng)度和弱作用類(lèi)似，那么其在宇宙中所產(chǎn)生的密度就和今天我們觀測(cè)到的密度相一致。
由于這類(lèi)模型能夠非常自然地解釋我們觀測(cè)到的暗物質(zhì)在宇宙中的豐度，因而受到了極大的關(guān)注。
我們目前大部分暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)所要尋找的對(duì)象就是這種“弱作用重粒子”的暗物質(zhì)。
3花費(fèi)超過(guò)數(shù)百億美元，暗物質(zhì)卻遲遲不現(xiàn)身
當(dāng)前探測(cè)暗物質(zhì)主要包括三類(lèi)實(shí)驗(yàn)方案，即對(duì)撞機(jī)探測(cè)、直接探測(cè)和間接探測(cè)。
暗物質(zhì)的三種探測(cè)方式
從上圖可以看出，暗物質(zhì)粒子和普通物質(zhì)的相互作用可以體現(xiàn)在三個(gè)方向上：
*從下向上，就是通過(guò)把普通粒子加速到很高的能量對(duì)撞產(chǎn)生出暗物質(zhì)粒子，這就是暗物質(zhì)粒子的對(duì)撞機(jī)探測(cè)，比如在歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）上進(jìn)行的暗物質(zhì)尋找就是這種探測(cè)方式；
*橫向方向表示一個(gè)暗物質(zhì)粒子和普通粒子發(fā)生彈性散射，通過(guò)探測(cè)這種散射產(chǎn)生的信號(hào)尋找暗物質(zhì)，這被稱(chēng)為暗物質(zhì)的直接探測(cè)；
*而從上向下的方向代表著兩個(gè)暗物質(zhì)粒子碰撞并湮滅而產(chǎn)生一對(duì)普通粒子，通過(guò)尋找這樣的湮滅產(chǎn)物尋找暗物質(zhì)粒子，這被稱(chēng)為暗物質(zhì)的間接探測(cè)。
丁肇中教授領(lǐng)導(dǎo)的阿爾法磁譜儀2號(hào)（AMS-02）實(shí)驗(yàn)和我國(guó)的暗物質(zhì)粒子衛(wèi)星“悟空”號(hào)探測(cè)暗物質(zhì)就是根據(jù)間接探測(cè)的方法，探測(cè)暗物質(zhì)粒子湮滅或者衰變后所產(chǎn)生的高能宇宙線粒子。
暗物質(zhì)間接探測(cè)示意圖
暗物質(zhì)間接探測(cè)的原理如上圖所示，即兩個(gè)暗物質(zhì)粒子碰撞后會(huì)發(fā)生“湮滅”而變成我們熟悉的夸克、輕子等粒子，這些不穩(wěn)定的粒子會(huì)迅速衰變而成為穩(wěn)定粒子，如正負(fù)電子，正反質(zhì)子，中微子，光子等。
間接探測(cè)即是尋找宇宙線中的這些信號(hào)來(lái)尋找暗物質(zhì)的信號(hào)，間接探測(cè)實(shí)驗(yàn)也通常選擇在地面和空間進(jìn)行，地面的實(shí)驗(yàn)適合探測(cè)暗物質(zhì)湮滅所產(chǎn)生的伽馬射線信號(hào)和中微子信號(hào)，但帶電粒子會(huì)和大氣很快發(fā)生反應(yīng)，所以地面實(shí)驗(yàn)不是特別適合探測(cè)帶電粒子信號(hào)。
幾個(gè)空間的暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)：AMS-02空間站實(shí)驗(yàn)、Fermi衛(wèi)星、“悟空”衛(wèi)星
通常，為了得到更加干凈的暗物質(zhì)湮滅信號(hào)，需要在空間開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，包括衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)和在空間站開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)。
目前正在進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)有如下幾個(gè)：
Fermi衛(wèi)星是美國(guó)發(fā)射的伽馬射線探測(cè)衛(wèi)星，用來(lái)尋找暗物質(zhì)湮滅所產(chǎn)生的伽馬射線信號(hào)，F(xiàn)ermi2008年發(fā)射，至今已經(jīng)運(yùn)行了近10年，取得了大量的科研成果。然而，它卻沒(méi)有發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)湮滅的信號(hào)，因而，給暗物質(zhì)性質(zhì)設(shè)置了非常嚴(yán)格的限制；
另外兩個(gè)實(shí)驗(yàn)是“PAMELA衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)”和阿爾法磁譜儀2號(hào)（AMS-02）國(guó)際空間站實(shí)驗(yàn)，都帶有磁場(chǎng)，因而能夠測(cè)量帶電粒子的電荷，它們主要是測(cè)量宇宙線中的反粒子，如正電子、反質(zhì)子等，以尋找暗物質(zhì)信號(hào)；
最后一個(gè)是我國(guó)在2015年發(fā)射的暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”，它主要是通過(guò)探測(cè)暗物質(zhì)湮滅所產(chǎn)生的電子來(lái)尋找暗物質(zhì)信號(hào)。
上文提到，有科學(xué)團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)撞機(jī)探測(cè)方法，尋找高能粒子對(duì)撞產(chǎn)生的無(wú)法被探測(cè)器探測(cè)的暗物質(zhì)粒子引發(fā)的能量、動(dòng)量“丟失”過(guò)程。然而，僅僅對(duì)撞機(jī)一項(xiàng)，就花費(fèi)數(shù)百億美元，暗物質(zhì)卻仍遲遲不“現(xiàn)身”。
近年來(lái)在暗物質(zhì)探測(cè)方面一個(gè)重要的進(jìn)展就是，發(fā)現(xiàn)了宇宙線中存在大量的正電子超出。
PAMELA衛(wèi)星在2008發(fā)現(xiàn)宇宙線中正電子比通常宇宙線物理所預(yù)期的流量高出了許多，這多出來(lái)的正電子讓科學(xué)家非常興奮，認(rèn)為有可能就是人們長(zhǎng)期夢(mèng)寐以求的暗物質(zhì)信號(hào)。研究表明，暗物質(zhì)湮滅的確可以完美解釋這些多出來(lái)的正電子。
但不幸的是，暗物質(zhì)卻不是唯一的解釋。
天文學(xué)家認(rèn)為，銀河系中存在一種稱(chēng)為脈沖星的天體，它是高速旋轉(zhuǎn)的中子星。這種天體可以加速產(chǎn)生高能量的正負(fù)電子對(duì)并輻射到銀河系空間，這類(lèi)信號(hào)如果傳播到地球上，也可以解釋實(shí)驗(yàn)所觀測(cè)到的多余正電子信號(hào)。
而阿爾法磁譜儀2號(hào)（AMS-02）是安裝在國(guó)際空間站上的大型實(shí)驗(yàn)裝置，更加精確地測(cè)量宇宙線中正負(fù)電子的能譜，不但證實(shí)了PAMELA的觀測(cè)，還在更大的能量范圍和更高的精度上擴(kuò)展了這一結(jié)論。
AMS-02觀測(cè)的宇宙線中正電子所占比例（點(diǎn)）和不同的理論模型解釋?zhuān)▓D中的實(shí)線）
但是，即使是AMS-02的結(jié)果也無(wú)法確認(rèn)正電子的來(lái)源到底是暗物質(zhì)還是脈沖星，如上圖所示，圖中不同的曲線代表了不同來(lái)源的正電子，我們發(fā)現(xiàn)這些曲線都能夠解釋圖中的AMS-02的數(shù)據(jù)點(diǎn)。
最近AMS-02實(shí)驗(yàn)組在一個(gè)會(huì)議上公布了其最新的測(cè)量結(jié)果，由于累計(jì)了更多的觀測(cè)事例，最新的結(jié)果顯示多出的正電子的能譜存在某種“結(jié)構(gòu)”，如果這個(gè)結(jié)構(gòu)得到精確的測(cè)量，就有可能據(jù)此判斷正電子的來(lái)源。
然而，深入的研究表明，來(lái)自脈沖星的正電子和來(lái)自暗物質(zhì)湮滅的正電子的能譜形式很有可能無(wú)法完全區(qū)分。這是因?yàn)?，這些正電子從源上產(chǎn)生出來(lái)以后還要再經(jīng)歷非常復(fù)雜的傳播過(guò)程，這個(gè)傳播過(guò)程會(huì)改變能譜的形式，從而使得不同來(lái)源的能譜更加難以區(qū)分。
暗物質(zhì)這么難尋找，這也正是它的魅力所在，我們也不要灰心，還是有其他辦法可能區(qū)分暗物質(zhì)來(lái)源的正電子和脈沖星來(lái)源的正電子。
暗物質(zhì)彌漫地分布在銀河系中，而脈沖星則是某個(gè)位置上的一個(gè)星體。因而，脈沖星產(chǎn)生的正電子會(huì)有方向性，從而在正電子流強(qiáng)分布上導(dǎo)致一個(gè)“各向異性”，但暗物質(zhì)產(chǎn)生的正電子基本會(huì)是“各向同性”的。
各向異性的檢驗(yàn)非常困難，需要積累大量的電子和正電子數(shù)據(jù)，這就要求非常大的探測(cè)器才行。而我國(guó)空間站的未來(lái)宇宙線實(shí)驗(yàn)HERD具有這樣的優(yōu)勢(shì)，將可能在這方面取得重要的突破，為暗物質(zhì)尋找提供更多的線索。
總而言之，暗物質(zhì)問(wèn)題大大激發(fā)了人們對(duì)于未知世界的想象，也正在激勵(lì)著各國(guó)科學(xué)家不斷地深入研究這個(gè)問(wèn)題，并在不同的研究方向上取得進(jìn)步，為最終揭開(kāi)暗物質(zhì)謎團(tuán)貢獻(xiàn)自己的力量。
（文內(nèi)示意圖均由作者提供）
