關(guān)于暗物質(zhì)我們究竟知道些什么

1、關(guān)于暗物質(zhì)我們究竟知道些什么？LizKruesi文Shea編譯神秘而不可見(jiàn)的物質(zhì)維系著宇宙免于分崩離析，但它們到底是什么？宇宙并不遵循“所見(jiàn)即所得”的原則。事實(shí)上，我們所看到的物質(zhì)恒星、氣體和塵埃僅僅占據(jù)了宇宙質(zhì)量的10%。這些可見(jiàn)的普通物質(zhì)由質(zhì)子、中子和電子組成?？茖W(xué)家們把它們稱為“重子物質(zhì)”，因?yàn)橘|(zhì)子和中子在亞原子粒子中被稱為“重子”。宇宙物質(zhì)的其余90%則是“暗物質(zhì)”，它們包圍著宇宙中的每一個(gè)星系。暗物質(zhì)不發(fā)射、吸收或者反射任何波長(zhǎng)的光線。因此這些神秘的物質(zhì)是看不見(jiàn)的，但天文學(xué)家通過(guò)探測(cè)它們和普通物質(zhì)之間的引力相互作用得知了它們的存在。圖片說(shuō)明：大質(zhì)量的星系團(tuán)阿貝爾2218為科學(xué)家提供了

2、暗物質(zhì)存在的證據(jù)。通過(guò)星系團(tuán)周圍的弧線背景星系扭曲的像，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)其中必定還含有更多看不見(jiàn)的物質(zhì)。版權(quán)：NASA/ESA/RichardEllis(Caltech)/Jean-PaulKneib(ObservatoireMidi-Pyrenees,France)。在黑暗中搜尋瑞士天體物理學(xué)家弗里茨茲維基(FritzZwiky)在1933年第一個(gè)提出了暗物質(zhì)的存在。當(dāng)他研究后發(fā)星系團(tuán)的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)星系間的引力太小無(wú)法維持住整個(gè)星系團(tuán)。有關(guān)暗物質(zhì)的下一波證據(jù)則出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代。天文學(xué)家測(cè)量了旋渦星系中不同恒星的速度，并且由此畫出了描述速度和它們到星系中心距離之間關(guān)系的“旋轉(zhuǎn)曲線”。原先認(rèn)為，

3、速度會(huì)先增大達(dá)到一個(gè)峰值，然后隨著遠(yuǎn)離星系中心而逐漸減小但測(cè)量的結(jié)果卻并不是這么回事。觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，速度確實(shí)會(huì)先增大達(dá)到一個(gè)峰值，但之后隨著距離的增大它卻基本保持不變，即平坦的旋轉(zhuǎn)曲線。在星系的外邊緣恒星的速度之高使得它們?cè)缇驮擄w出了星系。但是它們卻沒(méi)有。必定是科學(xué)家們沒(méi)有探測(cè)到物質(zhì)維系住了這些恒星的軌道。一個(gè)質(zhì)量非常大的天體例如，星系團(tuán)可以做為引力透鏡。因此在一些星系團(tuán)的周圍會(huì)出現(xiàn)許多“弧線”。它們是背景的星系所發(fā)出的光被前方的星系團(tuán)引力扭曲、放大后所產(chǎn)生的像。通過(guò)研究這些弧線的大小和形狀，天文學(xué)家就可以確定出星系團(tuán)的質(zhì)量。把計(jì)算出的質(zhì)量和星系團(tuán)中發(fā)光星系的總質(zhì)量相比較，就能確定出星系團(tuán)中存在多

4、少暗物質(zhì)。(nLU50P0峯.tsqjo圖片說(shuō)明：星系的旋轉(zhuǎn)曲線。藍(lán)線為實(shí)際測(cè)量結(jié)果，紅線為理論計(jì)算結(jié)果。從觀測(cè)結(jié)果可以看出，當(dāng)恒星距離星系中心較遠(yuǎn)時(shí)，它們的公轉(zhuǎn)速度幾乎相同。暗物質(zhì)的其他證據(jù)則來(lái)自星系團(tuán)之間的碰撞。子彈星系團(tuán)是兩個(gè)星系團(tuán)碰撞的產(chǎn)物。當(dāng)星系團(tuán)碰撞時(shí)，星系團(tuán)中的絕大多數(shù)星系會(huì)不受影響的彼此穿過(guò)，因?yàn)樗鼈冎g有相當(dāng)大的間隙。星系團(tuán)中的高溫氣體占據(jù)了重子物質(zhì)總量的絕大部分，而普通物質(zhì)之間會(huì)通過(guò)電磁力相互作用。因此，當(dāng)它們碰撞的時(shí)候，就會(huì)以輻射的形式損失能量在子彈星系團(tuán)中則是釋放出X射線輻射。于是高溫氣體就會(huì)減速。天文學(xué)家使用引力透鏡間接地探測(cè)了子彈星系團(tuán)中不可見(jiàn)物質(zhì)的分布，發(fā)現(xiàn)在碰撞

5、的過(guò)程中它們也能不受影響地彼此穿過(guò)。由此證明了暗物質(zhì)的存在。隨著新探測(cè)方法的涌現(xiàn)，有關(guān)的證據(jù)也正在不斷增加。然而，探測(cè)暗物質(zhì)的分布是一回事，了解這些神秘物質(zhì)的性質(zhì)又是另一回事。與眾不同多年來(lái)，天文學(xué)家們認(rèn)為暗物質(zhì)是由死亡的恒星、黑洞以及其他已知的不發(fā)光天體所組成的。他們使用微引力透鏡來(lái)探測(cè)了這些物質(zhì)。這一方法和引力透鏡類似，唯一的不同是起到透鏡作用的引力體質(zhì)量要小得多。這一天體的引力除了會(huì)使得來(lái)自后方的光線被彎曲之外，它們還會(huì)放大光強(qiáng)。通過(guò)這一辦法天文學(xué)家確實(shí)發(fā)現(xiàn)了一些被稱為“暈族大質(zhì)量致密天體”的物質(zhì)，但它們不足以解釋宇宙中所有缺失的質(zhì)量。于是，如果暗物質(zhì)并不是由普通天體所構(gòu)成的，那么它們極

6、有可能就是由非重子粒子組成的，也就是說(shuō)組成它們的并非是我們熟悉的普通物質(zhì)（質(zhì)子和中子）。天文學(xué)家將非重子暗物質(zhì)劃分成兩類：熱的和冷的。雖然借用了這兩個(gè)詞，但是它們和溫度無(wú)關(guān)?！盁帷币馕吨谠缙谟钪嬷羞@些粒子的運(yùn)動(dòng)速度極高接近光速。“冷”則說(shuō)明它們?cè)谠缙谟钪嬷械乃俣纫〉枚?。那么，粒子的運(yùn)動(dòng)速度又是如何和暗物質(zhì)的成分扯上關(guān)系的呢？宇宙中運(yùn)動(dòng)速度較慢的粒子會(huì)先聚集形成較小的結(jié)構(gòu)。這些較小的結(jié)構(gòu)會(huì)碰撞和并合成更大的結(jié)構(gòu)，最終形成我們今天觀測(cè)到的大質(zhì)量超星系團(tuán)。天文學(xué)家相信我們宇宙中的結(jié)構(gòu)正是這樣發(fā)育和演化的。他們使用冷暗物質(zhì)來(lái)模擬宇宙的演化，結(jié)果可以形成和今天我們觀測(cè)到相同的結(jié)構(gòu)。圖片說(shuō)明：子彈星系

7、團(tuán)是兩個(gè)星系團(tuán)碰撞的產(chǎn)物。其中普通物質(zhì)一一高溫氣體（粉色，X射線波段）會(huì)碰撞、損失能量、運(yùn)動(dòng)速度變慢。星系團(tuán)中的暗物質(zhì)（藍(lán)色，引力透鏡觀測(cè)）間相互作用很弱，可以彼此穿過(guò)。版權(quán)：X射線：NASA/CXC/CfA/M.Markevitch；可見(jiàn)光以及引力透鏡：NASA/STScI/Magellan/U.Arizona/D.Clowe/ESO/WFI。那冷暗物質(zhì)是什么？科學(xué)家們還不確定。從粒子物理學(xué)出發(fā)有許多可供選擇的粒子，但沒(méi)有一種恰好符合暗物質(zhì)的要求。雖然并不是專門為暗物質(zhì)而生的，但這些假想中的粒子具備暗物質(zhì)所需的全部或者至少一部分的屬性（質(zhì)量、豐度、壽命以及相互作用方式）。數(shù)十年來(lái)，物理學(xué)家一

8、直致力于統(tǒng)一引力、電磁力、弱相互作用力和強(qiáng)相互作用力。在過(guò)去的30年左右的時(shí)間里，發(fā)展出了超對(duì)稱理論。這一理論預(yù)言，每一種普通粒子都具有一種尚未被探測(cè)到的大質(zhì)量“超對(duì)稱伙伴”粒子。超對(duì)稱所預(yù)言的粒子是目前主導(dǎo)的暗物質(zhì)候選粒子。這些粒子具有質(zhì)量和弱相互作用力，但它們不參與電磁作用。由此這些弱相互作用大質(zhì)量粒子（WIMP）可以和普通的原子核發(fā)生碰撞，并且在不發(fā)射和吸收輻射的情況下散射它們。最輕的WIMP被稱為“渺中子”（neutralino），是最有人氣的暗物質(zhì)候選者。另一種常見(jiàn)的冷暗物質(zhì)候選者則是軸子。它也是一種假想中的粒子，但并非來(lái)自超對(duì)稱理論。軸子并不是一種“物質(zhì)粒子”，而是一種力的載體，類

9、似于傳播電磁力的光子。它要比WIMP還輕得多一一最多只有后者的十億分之一，因此為了構(gòu)成暗物質(zhì)宇宙會(huì)需要比WIMP多得多的軸子。你也許會(huì)想，既然有那么多的冷暗物質(zhì)粒子，WIMP和軸子應(yīng)該很容易被發(fā)現(xiàn)才是。其實(shí)，由于它們不參與電磁相互作用，因此要想探測(cè)它們就必須要把現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)推向極致。如何捕捉冷暗物質(zhì)探測(cè)暗物質(zhì)的方法取決于科學(xué)家想尋找它們中的哪一種（WIMP還是軸子）。尋找WIMP的科學(xué)家試圖在探測(cè)器中通過(guò)直接觀測(cè)它們和普通物質(zhì)的相互作用來(lái)捕捉它們。WIMP和原子核之間的碰撞會(huì)導(dǎo)致原子核運(yùn)動(dòng)或者被散射。另一種辦法則是間接探測(cè)暗物質(zhì)oWIMP的反粒子就是它本身，因此如果兩個(gè)WIMP相互作用就會(huì)湮滅產(chǎn)

10、生一系列的次級(jí)粒子。天體物理學(xué)家可以觀測(cè)到許多這些次級(jí)粒子，例如電子、正電子（電子的反粒子）、Y射線和中微子。ProtonsBosonsPositronsNeutrinosLeptonsAntiprotonsDecayprocessSupersymmetricneutralinosLow-energyphotonsQuarks廠Medium-energygammarays圖片說(shuō)明：渺中子湮滅產(chǎn)生次級(jí)粒子。當(dāng)兩個(gè)渺中子發(fā)生碰撞就會(huì)產(chǎn)生夸克、輕子和玻色子，它們又會(huì)通過(guò)低能光子、Y射線和衰變過(guò)程產(chǎn)生正電子、電子、中微子、反質(zhì)子和質(zhì)子。版權(quán)：GreggDinderman。探測(cè)軸子的方法則和探測(cè)WIMP

11、的完全不同。當(dāng)軸子從探測(cè)器的磁場(chǎng)中穿過(guò)的時(shí)候，它會(huì)轉(zhuǎn)變成光子。除了探測(cè)冷暗物質(zhì)粒子之外，一些科學(xué)家還試圖在實(shí)驗(yàn)室里制造出這些粒子。為此他們必須要擁有極高的能量，目前只有粒子加速器才可以做到這一點(diǎn)。在2009年底世界上最大的粒子加速器大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)重新投入使用之后，科學(xué)家們就應(yīng)該可以借此來(lái)尋找這些構(gòu)成暗物質(zhì)的假想粒子。追捕WIMP天文學(xué)家相信，銀河系明亮銀盤的周圍有一個(gè)球形的冷暗物質(zhì)暈（絕大多數(shù)其他的星系也是如此）。當(dāng)我們的太陽(yáng)系在繞銀心轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，就會(huì)穿過(guò)暗物質(zhì)的海洋。此時(shí)，這些粒子并不是和地球碰撞的唯一物質(zhì)，由普通物質(zhì)組成的高能宇宙線也會(huì)不斷地轟擊地球。來(lái)自太陽(yáng)和其他遙遠(yuǎn)天體的輻射也是如此。

12、為此，科學(xué)家們把用于尋找冷暗物質(zhì)的探測(cè)器都置于地下，由此來(lái)阻隔宇宙線的干擾。其關(guān)鍵是要能隔絕“背景噪音”并且能探測(cè)到暗物質(zhì)粒子和普通物質(zhì)的相互作用。如果他們做不到第一點(diǎn)，那就必須要有辦法來(lái)區(qū)分噪音和WIMP。一些科學(xué)家認(rèn)為，在地球表面一平方米的面積中每秒鐘大約會(huì)有6億個(gè)WIMP穿過(guò)。但是它們的相互作用非常微弱，那么如何才能“看”到它們呢？一旦WIMP和普通粒子發(fā)生了一次罕見(jiàn)的碰撞，它就會(huì)把一部分的能量轉(zhuǎn)移給探測(cè)器物質(zhì)中的一個(gè)原子核，于是這個(gè)原子核就會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)反沖。反沖的大小則反映出了這個(gè)WIMP的能量。在現(xiàn)實(shí)中，可以用幾種不同的方法來(lái)探測(cè)這一反沖。一類探測(cè)器會(huì)使用接近絕對(duì)零度（0.01開(kāi)）的晶

13、體。晶體具有一定的結(jié)構(gòu)，因此當(dāng)一個(gè)WIMP撞上原子核的時(shí)候，原子核會(huì)反沖進(jìn)周圍的結(jié)構(gòu)中。在這一碰撞中，反沖的原子核會(huì)將它的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能造成晶體振動(dòng)。低溫的環(huán)境正是為了確保探測(cè)到的振動(dòng)僅僅是由于入射粒子的相互作用而造成的。當(dāng)然，科學(xué)家們還會(huì)探測(cè)到除了WIMP以外的東西，因此絕大多數(shù)的探測(cè)器都會(huì)采用多種方法來(lái)確定這是暗物質(zhì)粒子相互作用還是其他的東西。wimpsandNeutronsscatterfromtheAtomicNucjllrsPhotonsandElectronsscatterfromlheAtomicElectrons圖片說(shuō)明：間接探測(cè)WIMP。WIMP偶爾會(huì)撞上一個(gè)原子核。這一

14、碰撞會(huì)散射原子核，進(jìn)而使之和周圍的原子核發(fā)生碰撞。由此科學(xué)家可以探測(cè)到這些相互作用所釋放出的熱量和閃光。版權(quán)：CDMS。另一種直接探測(cè)的方法則是使用氣泡室一個(gè)盛放有特定液體的容器。當(dāng)WIMP擊中原子核的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)微小的氣泡。隨后通過(guò)測(cè)量氣泡的變大過(guò)程，就能確定發(fā)生相互作用的是WIMP還是普通粒子。如果WIMP的信號(hào)隨著時(shí)間有年的變化，那將會(huì)是確實(shí)探測(cè)到它的可靠依據(jù)。這是因?yàn)榈厍蛟诶@太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)。6月份，地球的運(yùn)動(dòng)方向和太陽(yáng)系繞銀河系運(yùn)動(dòng)的方向相同，因此探測(cè)到的信號(hào)數(shù)量會(huì)上升。12月份，地球的運(yùn)動(dòng)方向與之相反探測(cè)到的信號(hào)數(shù)量就應(yīng)該會(huì)有5%10%的下降。這一差別將幫助科學(xué)家從背景噪音中區(qū)分出W

15、IMP，因?yàn)楸尘霸胍艚K年不變而WIMP的信號(hào)則會(huì)有起伏。幾年前以及2008年“暗物質(zhì)”實(shí)驗(yàn)的科學(xué)家小組宣布，通過(guò)測(cè)量這一起伏找到了WIMP存在的證據(jù)。但不幸的是，他們僅僅使用了一種探測(cè)方法，因此很難區(qū)分背景噪音和WIMP的信號(hào)。另外，其他的探測(cè)實(shí)驗(yàn)沒(méi)有一個(gè)重復(fù)出了他們的結(jié)果。在科學(xué)中，如果其他的小組無(wú)法重復(fù)出一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，那這極有可能是實(shí)驗(yàn)的誤差。WIMP的間接信號(hào)到目前為止直接探測(cè)還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)WIMP。因此科學(xué)家們還在尋找來(lái)自暗物質(zhì)候選者的間接信號(hào)，以此來(lái)補(bǔ)充直接探測(cè)。渺中子湮滅會(huì)產(chǎn)生電子、正電子、Y射線、中微子和其他粒子?？茖W(xué)家可以使用特殊的探測(cè)器來(lái)探測(cè)它的每一種產(chǎn)物。為了能相互湮滅，渺中子（或

16、者其他WIMP）必須要達(dá)到較高的密度，這一情況通常需要有大質(zhì)量天體的參與才會(huì)出現(xiàn)。太陽(yáng)或者地球附近的一個(gè)WIMP可以和普通物質(zhì)的原子核發(fā)生碰撞（類似于探測(cè)器中）。WIMP會(huì)失去能量，進(jìn)而它的速度會(huì)降低到小于太陽(yáng)或者地球的逃逸速度。如果這一現(xiàn)象發(fā)生，WIMP就會(huì)無(wú)法逃出天體引力場(chǎng)的束縛。這個(gè)WIMP進(jìn)而會(huì)繼續(xù)和其他的原子核碰撞，直到它落入太陽(yáng)或者地球的中心。在天體的核心處，WIMP的密度會(huì)非常之高，它們自身之間的碰撞會(huì)產(chǎn)生次級(jí)粒子和輻射。一些地下的實(shí)驗(yàn)裝置例如日本的超神岡就可以探測(cè)其中的中微子。WIMP的碰撞并不是地球附近中微子的為一來(lái)源，太陽(yáng)也會(huì)產(chǎn)生中微子。但中微子探測(cè)器可以從太陽(yáng)中微子中區(qū)別出WIMP湮滅產(chǎn)生的中微子，因?yàn)楹笳呔哂械哪芰扛?。此外，探測(cè)器越大，能探測(cè)到的中微子就越多。下一代的中微子探測(cè)器“冰立方”目前正在南極興建，它會(huì)覆蓋一立方千米的巨大空間。搜尋WIMP湮滅產(chǎn)生的Y射線也極具前景。這一Y射線會(huì)具有特定的能譜，而這一能譜又取決于WIMP的質(zhì)量。費(fèi)米Y射線空間望遠(yuǎn)鏡將會(huì)探測(cè)到這一能譜并且為暗物質(zhì)提供間接的觀測(cè)證據(jù)。軸子在哪里？WIMP目前也許在冷暗物質(zhì)的候選者中處于領(lǐng)跑地位，但它并不是全部。軸子也具有很大的可能性。軸子探測(cè)器通常包含有兩部分：一個(gè)有磁場(chǎng)貫穿的空腔和一個(gè)放大天線。按照理論，當(dāng)一個(gè)軸子穿過(guò)這個(gè)空腔的時(shí)