看不见的暗物质,凭什么说它存在?

本文来自微信公众号“高山大学”(ID:gasadaxue)

自17世纪初牛顿力学出现,到电磁学,再到相对论、量子力学,现代科学领域出现了一个又一个里程碑,将人类的认知带到了前所未见的高度(www.changhou.com.cn)。这些进步看似是巨匠们的一蹴而就,但实际上是由每一个科学家的研究点滴汇聚而成,从量变走到质变。

无论研究工作多繁忙,科学家们总希望能在类似世纪之交这样的重要时刻共聚一堂,好好梳理科学的最新发展,思考人类在茫茫真理大海中未来走向何方。

物理学的头号目标

21世纪初,美国一群物理学家就聚在了一起,商讨这100年物理学的待解难题。最后他们列了11项:

而在这一些世纪谜团当中,第一名是暗物质,第二名是暗能量。不单是在美国,在欧洲学界列举的物理学六大待解难题里,暗物质同样位列榜首。中国科学家也把暗物质作为未来可能取得重要突破的研究方向。

由此可见,暗物质和暗能量是当代物理学头顶上名副其实的两朵乌云,也是现在最前沿的物理研究方向。

当然,若真要仔细想,我们身边其实还存在非常多我们回答不了的问题,如宇宙的起源、生命的起源等,这几百年来人类取得的科学发现虽然很多,但前方的未知更多。

现有模型的成与败

宇宙万物千变万化。不同种类的生命体,甚至同一种生命体之间,都存在着极其多元的外在样貌与内在特性。但从物理学的角度来看,千变万化的物质,其基本构成都可以用一个简单的粒子物理标准模型描述。

在粒子物理标准模型里,6种夸克、6种轻子像是盖楼的砖块瓦片,而4种传递力的玻色子,则扮演着把砖瓦粘在一起的水泥的角色。它们藉由不同的组合和作用机制,构成质子、中子、电子,再建构出不同的原子、分子以及所有更复杂的物质结构。

除此之外,粒子物理标准模型中还有一种极其重要的希格斯粒子,关系到夸克和带电轻子等粒子获得质量的机制。希格斯粒子是2012年被实验发现的,提出希格斯机制的两位健在的物理学家因此获得了2013年诺贝尔物理学奖。

凭借这个粒子物理标准模型,我们普遍认为人类对宇宙(尤其已知物质)已经有了非常透彻的认识。很多物理学参数的计算,都能精确到小数点后的很多位。而人类现有的科学技术几乎都建立在它之上。所以,粒子物理标准模型无疑是非常成功的。

然而,它也不完备。有一些现象它始终解释不了。也正是这些解释不了的现象,让科学家们把目光投向超越粒子物理标准模型之外的更为广阔的宇宙,提出暗物质存在的科学构想,激励着科学家们向着无限的宇宙不断进军。

星系旋转

这一类围绕可见物质中心旋转的星系,我们称作漩涡星系。星系里的光亮区域,代表着发光的普通物质。

我们知道,所有围绕中心旋转运动的物体,都需要有一股力把它拉向中心。就像我们用一根绳子拽着悠悠球快速旋转,绳子必须对球施加拉力才能不使球飞出去,从而保持圆周运动。球转得越快,拉力就必须越大。

按万有引力定律,旋转星系中离旋转中心越远的天体应该转得越慢,即轨道速度越小。在太阳系里,月亮围绕地球旋转、地球等行星围绕太阳旋转,都精确符合这个规律。

然而,我们对一些更大尺度的漩涡星系的观测却发现,恒星的旋转速度异常地快,偏离了观测到的星系的光度质量结合万有引力定律给出的旋转速度,但是却还能保持星系的结构,没有往外飞散出去。这就意味着恒星的轨道内存在很多我们看不见,却又提供了引力的物质。

这些物质无法通过常规光学办法观测,无论是通过可见光还是其他波段的光,包括高山大学过去参访过的FAST,以及内蒙古锡林郭勒盟大草原上国家天文台明安图观测站的射电望远镜等等天文望远镜正在探测的电磁波信号,统统都看不到暗物质。

子弹星云

根据广义相对论,大质量天体足以扭曲时空、拉弯光线,导致引力透镜效应,影响我们观测到的深空景貌。科学家可以利用引力透镜的效应,判断在遥远天体和观测者之间是否分布有暗物质。

这是一张著名的子弹星云的照片。通过可见光、X射线和弱引力透镜效应去观测同一天区,可以得到如图中的许多亮点、中心紫色区域和两团蓝色区域等三幅不同的物质分布图。

引力透镜效应的分析揭示出:该区域物质最密集的区域,实际上是在蓝色区域,而该区域发光物质并不多。这就是暗物质存在的一个非常强的天文观测证据。

大爆炸核合成

关于宇宙中各种元素的合成,没有暗物质的宇宙大爆炸模型,比较难解释目前天体物理学实际测量到的氢、氦、锂等核素的原初丰度。

相反,假定了暗物质存在的大爆炸核合成理论,得出的推论却和实验观测相对较好的吻合。这方面的理论和实验研究也从侧面支持了暗物质的存在。

暗物质的研究前沿

根据目前的研究,普通物质约占宇宙总质量的5%,暗物质约占27%——剩下的约68%,全是暗能量。

这里简单提一下,暗能量不是物质。所谓物质必须参与引力相互作用,而暗能量提供的是一种类似排斥作用的负引力,用来解释宇宙加速膨胀。至今,关于暗能量,人类的认识还非常初浅。

宇宙质量构成这些比例关系从哪里来的呢?它们是从宇宙学、天体物理学等领域的研究(如超新星爆发、大爆炸核合成、宇宙微波背景辐射等)推算而来。

一些实验结果可能将物质和暗能量的比例限制在20-70%的区间,而另一些研究成果则可能要求10-40%;把多方面的实验联合起来分析,最终就得到一个大家普遍接受的宇宙质量构成。

当然,由于宇宙学观测研究的不断深入,这些数据还会相应跟着变化。前些年大家还普遍认为暗能量占宇宙质量的份额是73%,后来随着更多实验观测结果的出现,目前大家普遍接受暗能量占宇宙质量的份额为68%,暗物质质量份额也从23%改成了27%。

关于暗物质,现阶段我们还处于初步探索的状态。宇宙的全貌如果比作一片海洋的话,而我们人类碍于有限的理解和观察手段,不同的研究只是探索这片海洋的一小部分区域。

但也正因为如此,科学家们正试图用更丰富的手段、在更宽广的物理空间中探测它,希望共同拼砌出一个更完整的暗物质认知图像。天体物理学家一般从宏观或宇观的角度出发,而作为粒子物理学家的我们,则是从微观的角度探知这个世界。

暗物质的定义和假设

想研究暗物质,但又对它极其不了解,科学上的破题办法就是划分区域,逐步给它建立定义。

首先,暗物质必须参与引力相互作用。

此外,暗物质不能参与电磁相互作用(如电与光效应)以及强相互作用(存在于核子里的作用力)——不然,我们早该找到它们了。

至于粒子物理标准模型给出的四种相互作用中的最后一种力:按现有的理论,暗物质和普通物质之间有可能存在弱相互作用。这对粒子物理学家来说是个好的切入点,因为它允许了一个假设的弱相互作用过程,使得粒子物理学家可以对暗物质进行研究。

另外,暗物质必须拥有很长、很稳定的寿命。按照一些模拟计算,暗物质在宇宙大爆炸早期就存在,并随着宇宙膨胀而慢下来,在宇宙的演化中扮演着重要角色。

于是,理论学家们就在这样一个初步的限制下构建了很多可能的理论出来。

当然,理论模型首先必须逻辑自洽,但除此之外,它们更需要接受实验的检验,既能解释已知的实验结果,又能预测未知的宇宙现象。

经过几十年的探索,不同的研究结果给出了对暗物质的不同限制,如今,暗物质研究聚焦到了几个大家都比较认可的理论上。

其中,最主流的暗物质候选者是弱相互作用大质量粒子(WIMP,Weakly Interacting Massive Particles)。除此之外,轴子(Axion)的关注度也比较高。

纵坐标:暗物质和普通物质发生相互作用的概率;横坐标:暗物质粒子的质量

从这张图可以看到,候选暗物质粒子的质量从极小的10-33GeV/c2,一路延伸到了极大的1018GeV/c2。相比之下,生命体的质量从最小的细胞(约1014GeV/c2)到最大的鲸鱼(约1032GeV/c2),变化范围要窄得多。

这也意味着我们现在基本是在大海捞针,在这个巨大的暗物质参数空间里打捞暗物质,先只能一步步缩小暗物质可能存在的范围。

关于暗物质,我不时会听到一些有趣的候选者:

黑洞——黑洞有质量和引力,同时不产生电磁波和光,基本满足暗物质的要求。不过我们知道黑洞属于正常物质,只不过因为引力太强,导致光无法逃逸。就算把黑洞定义成一种暗物质,它也只是暗物质里很小的一部分。

中微子——它也基本符合暗物质的定义,但单就已知的常规中微子而言,它们同样不是暗物质的主体。不过惰性中微子现在还没有研究透,还存在变数。

反物质——反物质则跟暗物质完全不是一回事。反物质是普通物质,参与引力相互作用,一样参与电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。只不过和我们生活中的普通物质的基本组成单元相比,除质量相同外,其它众多物理量,包括电荷等正好相反。

暗物质的寻寻觅觅

有了好的问题,也拟好了合理的假设,下一步就是开展研究去找答案,问题是怎么找?

思路1:亲自制造暗物质

根据爱因斯坦的质能方程,能量和质量之间存在转化的路径。

那么我们可以把构成普通物质的粒子加速,让它们带着极高的能量迎头对撞,进而产生新的粒子;接着再从中查看是否存在暗物质的痕迹。

欧洲瑞法边境上的LHC大型强子对撞机,采用的就是这种办法。不过目前暗物质研究只是LHC的副业,它的主业在于寻找类似希格斯粒子的新粒子。(更多精彩的技术详情,推荐阅读《举世瞩目的粒子对撞机,原来是在掷骰子? 》)

思路2:间接探测暗物质

当宇宙中的暗物质相互碰撞,湮灭的时候会化成一团能量,而这团能量,像前面提到的质能方程,可能转化成可见、可探测的普通物质。

那么我们可以探测太空中四面八方的粒子,从中捕捉一些和我们对于空间粒子背景理解不符、异常的事件或现象。这些异常不一定都跟暗物质有关,但我们也有可能从中寻找到暗物质的线索。

丁肇中先生领导的阿尔法磁谱仪项目,就是在进行这项工作。我国常进院士领导的“悟空”暗物质卫星项目,也是在开展暗物质间接探测工作。

思路3:直接探测暗物质

根据现在的理论和观测,银河系等漩涡星系中暗物质就像一片海,而可见的普通物质飘浮在这片海里,类似于我们行走在空气之中。

地球在银河系中运行的过程中,地球上的探测器中的靶粒子会和暗物质“相撞”,并从它们身上得到一点能量,而这个能量可以变成电离信号也可以变成热振动信号,或是闪烁光信号。

那么我们可以把暗物质粒子和普通物质相互作用后的各种参数(比如普通物质被暗物质粒子碰撞后获得的能量、反冲的方向、反冲核数量等)都记录下来,从中统计规律,再利用这些蛛丝马迹去一点一点拼凑出暗物质的信息。

锦屏地下实验室中的“盘古”CDEX与“熊猫”PandaX团队,就是采用这种方法。

不过这个方法存在一个前提——地球所在的银河系存在暗物质。

所幸的是,在银河系内,太阳系等天体绕着银河系中心绕转的速度同样不符合牛顿力学。这就意味着太阳的绕转轨道里可能存在着暗物质,也就是银河系中存在暗物质。

当然,也有人给在地球上开展的暗物质直接探测实验泼冷水:“尽管银河系中可能有暗物质,但暗物质分布可能存在类似于肺泡的空洞结构,而太阳系正好处于一个空洞中。这样的话,你们苦苦经营很长时间,到头来可能只是白忙一场。”

这个说法可能是对的,但对于科学家来说,暗物质或许不存在,但在实验确认之前,我们必须去找。

科研的愚公移山

换个角度想,如今绝大多数暗物质理论假设了暗物质和普通物质之间存在弱相互作用。如果假设错了,粒子物理学家当前的工作是否都白干了?

我认为不是的。如果研究结果证明前面的假设错了,也会推动科学家提出更多更新的理论,开展更精细更深入的实验研究。

21世纪初,我刚开始做暗物质研究时的一些理论,随着新实验结果不断出来,不少理论已经被证伪了。

当然科学家也会不断提出更多的新理论出来。所有的理论,最终都需要通过实验证明其正确性。证伪与证实、有结果和没结果,在科学上其实都是有意义的结果。

而且在这个过程中,我们还有其他的收获。至于是哪一些收获,敬请关注下一篇锦屏地下实验室相关内容。

※作者 | 岳骞

※整理 | 邱施运

※编辑 | 朱珍

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