哈勃空間望遠(yuǎn)鏡和錢德拉X射線天文臺(tái)拍攝的六幅星系團(tuán)照片，科學(xué)家用它們來研究星系團(tuán)碰撞時(shí)暗物質(zhì)的行為 圖片來自NASA官網(wǎng)

夜幕降臨時(shí)，滿天的繁星足以讓人們感嘆宇宙的浩瀚。而事實(shí)上，你所能看到的恒星以及所有星系可能不到宇宙質(zhì)量的5%。而天文學(xué)的觀測表明，剩下的約95%是由看不見的暗物質(zhì)和暗能量組成。

近日，國際合作項(xiàng)目“暗能量巡天”公布的最新研究結(jié)果進(jìn)一步支持了前人結(jié)論——宇宙質(zhì)量26%為暗物質(zhì)，70%為暗能量。

盡管看不見摸不著，但為了捕捉到暗物質(zhì)的身影，科學(xué)家們正在窮盡一切可能。

身披隱身衣，躲不過科學(xué)家火眼金睛

如同穿了隱身衣一般的暗物質(zhì)，最早是如何暴露行蹤的呢?

荷蘭天文學(xué)家雅各布斯·卡普頓通過研究銀盤上恒星的垂直運(yùn)動(dòng)，推測應(yīng)該有更多的物質(zhì)存在，從而在1922年提出了“暗物質(zhì)”的概念。之后又有更多的天文學(xué)家，包括詹姆士·金斯、簡·奧爾特等做了類似的研究，也得到了類似的結(jié)論。但受限于當(dāng)時(shí)的認(rèn)識(shí)問題，他們認(rèn)為暗物質(zhì)和通常的物質(zhì)類似，只是看不到而已。

上世紀(jì)30年代初，美國加州理工大學(xué)的天體物理學(xué)家弗里茨·茲威基首次在觀測中找到了暗物質(zhì)存在的可能證據(jù)。他測量了后發(fā)座星系團(tuán)中各個(gè)星系相對(duì)于星系團(tuán)的運(yùn)動(dòng)速度，發(fā)現(xiàn)它們運(yùn)動(dòng)得太快，以至于僅靠星系團(tuán)中可見星系提供的引力無法將它們束縛在一起。

“就好比是繩子上牽引著一個(gè)球，當(dāng)球快速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，能感覺到繩子越繃越緊，速度快到一定程度，會(huì)出現(xiàn)繩子斷裂，球飛出去的情況。” 中國科學(xué)院國家天文臺(tái)研究員茍利軍打了個(gè)比方。

然而，星系并沒有因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)速度太快而飛出星系團(tuán)，星系團(tuán)也沒有被撕裂。茲威基推斷，一定是該星系團(tuán)中充滿了大量不可見的“物質(zhì)”，它們的引力足夠強(qiáng)，可以把星系團(tuán)束縛在一起。

更為大膽的是，茲威基認(rèn)為這里的物質(zhì)是完全不同于通常物質(zhì)的另外一種物質(zhì)，并且起名為“暗物質(zhì)”。

時(shí)間到了上世紀(jì)70年代，美國天文學(xué)家維拉·羅賓和肯特·福特在觀測仙女座星系中恒星旋轉(zhuǎn)速度時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)恒星到星系中心距離增加時(shí)，其旋轉(zhuǎn)速度并沒有下降，如果沒有暗物質(zhì)產(chǎn)生的強(qiáng)大引力，高速旋轉(zhuǎn)的恒星勢必會(huì)跑到星系外。

魯賓和福特的觀測結(jié)果給出了那個(gè)時(shí)代有關(guān)暗物質(zhì)的最強(qiáng)證據(jù)。隨著觀測技術(shù)的不斷進(jìn)步，科學(xué)家們從更多的天文現(xiàn)象中，如星系團(tuán)的強(qiáng)引力透鏡、微波背景輻射的功率譜中找到暗物質(zhì)存在的證據(jù)。

盡管暗物質(zhì)看不見，但因?yàn)樗墚a(chǎn)生足夠大的引力，所到之處多少會(huì)留下痕跡，科學(xué)家們試圖據(jù)此給它畫像：不發(fā)光、壽命長、作用弱等等。

在畫像的同時(shí)，科學(xué)家希望能探測到暗物質(zhì)粒子的“真身”。“揭開暗物質(zhì)微觀粒子本質(zhì)是21世紀(jì)物理與天文學(xué)最重要的科學(xué)目標(biāo)之一，根據(jù)目前的主流理論，暗物質(zhì)很可能是一種超出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的‘弱相互作用重粒子’。” “熊貓計(jì)劃”(PandaX)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)第二負(fù)責(zé)人、上海交通大學(xué)教授劉江來表示。

“熊貓”地下織網(wǎng)，捕捉暗物質(zhì)真身

在尋找暗物質(zhì)的過程中，各國科學(xué)家爭分奪秒。目前暗物質(zhì)探測方式主要有三種：地下直接探測、空間間接探測和加速器實(shí)驗(yàn)。

在中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室開展的“熊貓計(jì)劃”采用的便是地下直接探測的方式，對(duì)暗物質(zhì)與普通物質(zhì)相互作用的信號(hào)進(jìn)行直接探測。他們采用液氙技術(shù)，捕捉暗物質(zhì)和氙原子發(fā)生碰撞的信號(hào)，一旦產(chǎn)生碰撞，氙原子會(huì)發(fā)光，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生自由電子。

選擇在深部地下進(jìn)行探測，是為了盡量屏蔽宇宙射線的干擾。茍利軍表示，采用液氙技術(shù)探測暗物質(zhì)粒子，好比是在大池子中捕魚，科學(xué)家們織就的“漁網(wǎng)”要盡可能的大，才能增加在較短時(shí)間里捕到“魚”的概率。

“熊貓計(jì)劃”的競爭對(duì)手十分強(qiáng)勁。已經(jīng)結(jié)束運(yùn)行的美國LUX合作組在今年1月正式發(fā)表250公斤級(jí)探測儀過去四年運(yùn)行的最終數(shù)據(jù)，超過了“熊貓計(jì)劃”在2016年7月發(fā)表的世界最靈敏探測結(jié)果。位于意大利的XENON1T是目前世界上正在運(yùn)行的最大暗物質(zhì)探測儀，探測區(qū)域的液氙達(dá)兩噸，該實(shí)驗(yàn)合作組于今年5月公布了首個(gè)結(jié)果，其靈敏度又超越了LUX。

很快，這一紀(jì)錄再次被改寫。北京時(shí)間8月8日凌晨，“熊貓計(jì)劃”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、上海交通大學(xué)鴻文講席教授季向東在“2017年度國際高能粒子天體物理大會(huì)”上公布了該項(xiàng)目合作組最新實(shí)驗(yàn)結(jié)果——在“54噸·天”的國際最大曝光量下，得到了暗物質(zhì)與核子的碰撞截面應(yīng)小于“6×10-47平方厘米”限制，再次刷新了對(duì)暗物質(zhì)粒子性質(zhì)限制的世界紀(jì)錄。

“這是對(duì)暗物質(zhì)可能存在的參數(shù)空間做出的最強(qiáng)限制。”劉江來介紹。雖然暗物質(zhì)還沒有被找到，但它的藏身范圍，已經(jīng)縮小。

“6×10-47平方厘米”意味著什么?劉江來解釋道，這一面積用來表示兩種粒子之間的碰撞概率，可以想見，這是一個(gè)非常小的數(shù)值，意味著碰撞概率極低。“目前探測儀還沒有探測到一例暗物質(zhì)粒子碰撞事件，繼續(xù)提高探測靈敏度是下一步要做的。”

“悟空”上天巡視，尋覓暗物質(zhì)痕跡

“熊貓計(jì)劃”緊密進(jìn)行的同時(shí)，我國首顆暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”也正在太空中尋找暗物質(zhì)的蛛絲馬跡。

“悟空”的英文名字是“DAMPE”。中國暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星首席科學(xué)家常進(jìn)在一次講座中說道，DAMPE是一個(gè)尋寶游戲中的關(guān)鍵人物，要找到寶貝，必須先找到它。“取名DAMPE，是希望它能領(lǐng)著我們找到暗物質(zhì)粒子。”

根據(jù)目前的理論模型，暗物質(zhì)粒子湮滅或相互作用后可能會(huì)產(chǎn)生高能光子，如果能夠精確測量這些光子的能譜，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子留下的“指紋”?？臻g間接探測，主要是對(duì)宇宙星系中暗物質(zhì)的湮滅或微衰變產(chǎn)生的次級(jí)粒子進(jìn)行探測。“悟空”之外，目前在進(jìn)行空間探測試驗(yàn)的，還有國際阿爾法磁譜儀、美國費(fèi)米衛(wèi)星等。

在分析空間探測的難點(diǎn)時(shí)，茍利軍指出，宇宙是一個(gè)巨大的粒子物理實(shí)驗(yàn)室，時(shí)刻發(fā)生各種各樣的粒子發(fā)生湮滅衰變的信號(hào)，如何扣除背景信號(hào)得到有效信號(hào)，是需要解決的問題。

“悟空”工作軌道為高約500千米的晨昏太陽同步軌道，每天平均觀測500萬個(gè)高能粒子，每天回傳的數(shù)據(jù)量約16G，相當(dāng)于一部高清電影的數(shù)據(jù)量。地面上100多人的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在對(duì)數(shù)據(jù)開展分析研究。它的觀測能段范圍是國際阿爾法磁譜儀實(shí)驗(yàn)的10倍，探測器能量分辨比國際同類探測器高3倍以上。

清華大學(xué)工程物理系副教授岳騫介紹，在“上天”“入地”之外，還可以通過加速器實(shí)驗(yàn)探測暗物質(zhì)。即通過人造加速器把標(biāo)準(zhǔn)模型粒子加速到很高能量后碰撞，通過測量碰撞反應(yīng)中的丟失能量給出對(duì)于暗物質(zhì)粒子質(zhì)量和反應(yīng)截面的限制。“這三種暗物質(zhì)研究方法相互獨(dú)立、相互補(bǔ)充和相互檢驗(yàn)”。