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蘇萌：暗物質(zhì)的天文學(xué)探測(cè)

點(diǎn)擊：2752  作者：蘇萌    來源：《科技導(dǎo)報(bào)》2016年第5期  發(fā)布時(shí)間:2016-03-29 12:04:55

 

暗物質(zhì)是不可見的，圖中藍(lán)色部分為據(jù)相關(guān)反應(yīng)推測(cè)的存在位置。

圖片來源：Wikipedia

 

    【前言】暗物質(zhì)和暗能量是宇宙主要的組成部分，被認(rèn)為是“籠罩在21世紀(jì)物理學(xué)上的兩朵烏云”，是基礎(chǔ)物理與宇宙學(xué)研究最前沿的方向之一。對(duì)暗物質(zhì)突破性的研究進(jìn)展將極大促進(jìn)人們對(duì)基本自然規(guī)律以及宇宙演化的理解。國際上對(duì)暗物質(zhì)的研究極為重視，美國和歐洲都為之進(jìn)行了詳細(xì)周密的規(guī)劃，開展了一系列的相關(guān)項(xiàng)目規(guī)劃。中國也將暗物質(zhì)的研究納入了中長期規(guī)劃，在過去的幾年中國在暗物質(zhì)探測(cè)方面實(shí)現(xiàn)了長足進(jìn)步，在四川錦屏山地下實(shí)驗(yàn)室開展多項(xiàng)暗物質(zhì)直接探測(cè)試驗(yàn)，暗物質(zhì)粒子衛(wèi)星作為中國空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)的首發(fā)星，也是中國發(fā)射的第1 顆天文衛(wèi)星，2015 年12 月成功發(fā)射。通過觀測(cè)暗物質(zhì)粒子湮滅后的粒子產(chǎn)物，有可能在間接探測(cè)方向?qū)崿F(xiàn)對(duì)暗物質(zhì)研究的革命性突破。本文簡(jiǎn)介暗物質(zhì)概念提出的歷史與暗物質(zhì)探測(cè)的天文學(xué)觀測(cè)手段。

 

     文｜蘇萌（麻省理工學(xué)院物理系/哈佛大學(xué)天文系）

 

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    1、怪人茲威基的“狂想”

 

    暗物質(zhì)這個(gè)名字，是一位脾氣極其古怪的加州理工學(xué)院天文學(xué)家在20世紀(jì)30年代創(chuàng)造的，他的名字叫弗里茲·茲威基（Fritz Zwicky）。他以粗暴的性格和卓越的才華聞名遐邇，經(jīng)常在討論問題的時(shí)候咄咄逼人，甚至變得氣勢(shì)洶洶，連最親密的合作者都不愿意單獨(dú)跟他待在一起。然而茲威基有著敏銳的洞察力，他極富創(chuàng)造力地提出了宇宙中存在“暗物質(zhì)”的假設(shè)。茲威基嘗試計(jì)算了由數(shù)千個(gè)星系組成的“后發(fā)座”星系團(tuán)中所有能夠被觀察到的物質(zhì)的總量（基本上就是把看到的星系們加起來）。結(jié)果他驚訝地發(fā)現(xiàn)這些物質(zhì)的總質(zhì)量所能產(chǎn)生的引力強(qiáng)度竟然不足以讓整個(gè)星系團(tuán)聚集在一起。也就是說這些星系都“跑得太快了”，如此之大的逃逸速度應(yīng)該早就讓這些星系跑出這個(gè)集團(tuán)，這樣的話“后發(fā)座”星系團(tuán)就分崩離析而不復(fù)存在！你可以把整個(gè)星系團(tuán)想象為一個(gè)旋轉(zhuǎn)木馬，旋轉(zhuǎn)木馬轉(zhuǎn)動(dòng)得太快，上面坐著的星系們互相之間的吸引力太弱了，早就應(yīng)該都會(huì)飛出去才對(duì)！

 

    正是基于這些觀察，茲威基提出了一項(xiàng)在當(dāng)時(shí)看來驚世駭俗的主張，星系團(tuán)里必定還存在著某種神秘的“黑暗”物質(zhì)。這些物質(zhì)不能輕易被直接觀察到，但卻同樣能夠產(chǎn)生引力作用，從而幫助星系聚集在一起而不至于被撕碎。不幸的是，茲威基在當(dāng)時(shí)普遍被同行們認(rèn)為是怪人一個(gè)，被人看不起，在差不多40年的時(shí)間里，茲威基的有關(guān)暗物質(zhì)的推論沒有人愿意認(rèn)真對(duì)待。盡管暗物質(zhì)的話題今天已經(jīng)為科學(xué)家和公眾津津樂道，但在1933年，幾乎沒有人愿意相信宇宙中大部分的物質(zhì)是人們看不到的，大家似乎還是信奉“眼見為實(shí)”。茲威基的想法已經(jīng)超越了他的時(shí)代，他的偉大洞察和理論都被擱置一旁，無人問津。

 

    既然這種物質(zhì)既不發(fā)光，又不吸收光，也不反射光，人們根本不能直接看到它，找不到更好的名字，物理學(xué)們于是就將這種神秘物質(zhì)稱作“暗物質(zhì)”（圖1）。如果沒有這種神秘物質(zhì)的存在，宇宙中的星系將分崩離析。迄今為止盡管有數(shù)以百計(jì)的模型，但沒人知道暗物質(zhì)的本質(zhì)究竟是什么。

 

 

    20 世紀(jì)初，當(dāng)物理學(xué)家們最初開始了解到原子的結(jié)構(gòu)組成時(shí)，他們?cè)?jīng)以為人類即將洞察整個(gè)宇宙中一切物質(zhì)的本質(zhì)。然而，70多年過去了，人們才確切地知道今天的宇宙中，暗物質(zhì)質(zhì)量所占的比重是可見物質(zhì)（或者說普通物質(zhì)——物理學(xué)家常常稱之為重子物質(zhì)）的6倍左右，占到宇宙物質(zhì)成分的24%左右（普通物質(zhì)占4%），另外72%左右是暗能量——一種充溢宇宙空間的未知能量形式，導(dǎo)致今天的宇宙在加速膨脹。

 

    原本人們很欣喜地認(rèn)為，整個(gè)世界的物理學(xué)基礎(chǔ)已經(jīng)被搞清楚了，人類幾乎可以到慶功的時(shí)刻了，然而在進(jìn)入21世紀(jì)前竟然被告知在茫茫宇宙中可以看到的物質(zhì)，或者說自始至終都在研究的東西，只占了相當(dāng)可憐的一部分。確實(shí)，要承認(rèn)宇宙中95%以上的物質(zhì)都看不到而且?guī)缀跻粺o所知，實(shí)在令人有些尷尬。大自然似乎出于某種目的，把宇宙的絕大部分美妙地隱藏了起來。當(dāng)然人類爆棚的好奇心和自信心在宇宙學(xué)的這一世紀(jì)謎團(tuán)前正在大顯身手。迄今為止，地球上已經(jīng)建起十幾個(gè)尋找暗物質(zhì)的地下實(shí)驗(yàn)室，此前美國、歐洲和日本分別了發(fā)射了多個(gè)空間探測(cè)器尋找暗物質(zhì)來自宇宙空間的微弱信號(hào)。盡管科學(xué)家們大海撈針?biāo)频娜鼍W(wǎng)，暗物質(zhì)依然懸念重重。

 

    2、什么是暗物質(zhì)

 

     在現(xiàn)代宇宙學(xué)中，一般認(rèn)為暗物質(zhì)是一種全新的不同于任何我們熟悉的基本粒子。暗物質(zhì)之所以被冠以“暗”之名，就是因?yàn)樘煳膶W(xué)家迄今為止沒有發(fā)現(xiàn)這種物質(zhì)發(fā)射出的光子，也就是說暗物質(zhì)粒子幾乎不直接參與電磁相互作用。電磁力是處于電場(chǎng)、磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)中的帶電粒子所感受到的作用力。大自然的4種基本相互作用中，電磁力是其中一種，其他3種是強(qiáng)力、弱力、與引力。光子是傳遞電磁力的中間媒介，帶電粒子倚賴光子為媒介傳遞電磁力，而電荷是基本粒子的內(nèi)秉性質(zhì)。只有帶電粒子或帶電物質(zhì)才能夠感受到電磁力，發(fā)射出光子被人眼或者探測(cè)裝置看到，這也對(duì)探測(cè)暗物質(zhì)粒子的方式提出了挑戰(zhàn)。

 

    在日常生活所遇到的物質(zhì)的內(nèi)部，分子與分子之間彼此相互作用的分子間作用力，就是電磁力的一種形式。暗物質(zhì)不直接參與電磁相互作用，對(duì)我們熟悉的日常生活的物理化學(xué)過程，暗物質(zhì)可以說完全不會(huì)產(chǎn)生任何影響。事實(shí)上，天文學(xué)家估計(jì)每秒鐘都會(huì)有成千上萬的暗物質(zhì)粒子穿過人體，但是在暗物質(zhì)粒子的“眼中”，人體幾乎是是透明的。現(xiàn)在主流的暗物質(zhì)粒子的理論假說認(rèn)為，暗物質(zhì)粒子與人體中所含氫、氧、碳、氮等元素的原子核發(fā)生碰撞的機(jī)率大約只有數(shù)十次每天，而且這種暗物質(zhì)粒子與人體的直接相互作用不會(huì)被人體察覺，更不會(huì)有任何有害的后果。事實(shí)上，有一種尋找暗物質(zhì)粒子的方法，就是用專門的探測(cè)裝置去尋找暗物質(zhì)粒子與核子可能發(fā)生的碰撞事件，從而了解暗物質(zhì)粒子的相關(guān)屬性，我們把這種手段稱之為暗物質(zhì)粒子的“直接探測(cè)”——暗物質(zhì)粒子雖然看不見，但是這種碰撞就真真切切地發(fā)生在這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置里。然而，當(dāng)兩顆暗物質(zhì)粒子相互撞擊時(shí)有可能會(huì)發(fā)生“湮滅反應(yīng)”——兩個(gè)粒子抱在一起粉身碎骨，釋放出大得多的能量。如果暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量像現(xiàn)在的主流理論所認(rèn)為的，是質(zhì)子的數(shù)百倍，那暗物質(zhì)粒子碰撞時(shí)發(fā)出的能量將是可見光光子能量的一千億倍。如果這種湮滅反應(yīng)發(fā)生在人體內(nèi)，它將可能導(dǎo)致對(duì)人體有害的突變。當(dāng)然，發(fā)生這種事件的概率是非常低的。

 

    迄今為止，人們只能通過宇宙中廣泛分布的暗物質(zhì)結(jié)構(gòu)的引力產(chǎn)生的效應(yīng)得知（而且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)）宇宙中有大量暗物質(zhì)的存在?，F(xiàn)代宇宙學(xué)是新興的一門重要的基礎(chǔ)交叉學(xué)科，是通過對(duì)宇宙自身以及宇宙中天體的觀測(cè)結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)代物理學(xué)的基本認(rèn)知，研究宇宙大尺度的結(jié)構(gòu)起源與演化等基本問題的學(xué)科。宇宙學(xué)的研究對(duì)象是天體運(yùn)動(dòng)和它的第一起因，在人類歷史相當(dāng)長一段時(shí)期曾是形而上學(xué)的一部分。作為現(xiàn)代科學(xué)的重要組成部分，宇宙學(xué)起源于哥白尼原則和牛頓力學(xué)，它們指出天體和地球上的物體遵守同樣的物理原理并解釋了天體的運(yùn)動(dòng)。一般認(rèn)為，現(xiàn)代物理宇宙學(xué)起源于20世紀(jì)的愛因斯坦廣義相對(duì)論和對(duì)極遠(yuǎn)天體的天文觀測(cè)，對(duì)暗物質(zhì)的研究更是現(xiàn)代宇宙學(xué)和粒子物理學(xué)的重要課題之一。

 

    為了解釋暗物質(zhì)，早期的理論認(rèn)為暗物質(zhì)可能是宇宙中未被觀測(cè)到的由普通物質(zhì)形成的大質(zhì)量天體，比如大質(zhì)量的致密的天體，包括黑洞、中子星、老年的白矮星等，但根據(jù)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，這些天體的質(zhì)量不足以解釋暗物質(zhì)在宇宙中的物質(zhì)里所占的較大的比例。另一些理論主要通過修正引力理論來解釋和暗物質(zhì)有關(guān)的觀測(cè)現(xiàn)象，比如修正的牛頓動(dòng)力學(xué)理論等理論。而目前科學(xué)界對(duì)暗物質(zhì)解釋的主流觀點(diǎn)認(rèn)為，暗物質(zhì)是非重子的亞原子粒子，其粒子屬性的認(rèn)證與研究貫穿宇宙學(xué)研究數(shù)十年，依然是未解之謎。

 

    3、為什么相信暗物質(zhì)存在  

 

    20世紀(jì)物理學(xué)與探測(cè)技術(shù)飛速發(fā)展，使精確研究宇宙的起源與演化成為可能。現(xiàn)代天文學(xué)通過“引力透鏡效應(yīng)”、宇宙中大尺度結(jié)構(gòu)的形成、宇宙微波背景輻射等方法和理論來探測(cè)暗物質(zhì)?，F(xiàn)代宇宙學(xué)中各項(xiàng)獨(dú)立的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)證據(jù)，包括對(duì)旋渦星系旋轉(zhuǎn)曲線的測(cè)量、“子彈頭”星系團(tuán)的研究，引力透鏡效應(yīng)，宇宙中大尺度結(jié)構(gòu)，宇宙微波背景輻射等的觀測(cè)等，均表明宇宙中存在著具有引力效應(yīng)但不發(fā)射或吸收電磁波（包括可見光）的物質(zhì)，即暗物質(zhì)。占宇宙總量較大比例的暗物質(zhì)和暗能量（導(dǎo)致宇宙的加速膨脹的宇宙組分）的實(shí)質(zhì)是什么，這是當(dāng)今物理學(xué)的兩大謎團(tuán)。

 

    （1） 愛因斯坦引力透鏡效應(yīng)

 

     根據(jù)愛因斯坦的廣義相對(duì)論，由于時(shí)空在大質(zhì)量天體附近會(huì)發(fā)生畸變，光線經(jīng)過鄰近區(qū)域時(shí)會(huì)向大質(zhì)量天體發(fā)生偏折，產(chǎn)生匯聚效應(yīng)。如果從觀測(cè)者到背景光源的視線上有一個(gè)大質(zhì)量的前景天體（比如暗物質(zhì)主導(dǎo)的大質(zhì)量星系團(tuán)），有時(shí)會(huì)看到在光源的兩側(cè)呈現(xiàn)兩個(gè)像甚至多個(gè)像，就好像有一面凸透鏡放在觀測(cè)者和所觀測(cè)天體之間一樣，“引力透鏡效應(yīng)”（圖2）因而得名。顧名思義，引力透鏡是因?yàn)楣獾穆肪€被引力改變了。而引力是所有東西所共有的性質(zhì)（只要是存在于宇宙里的東西，沒有無引力的），所以，引力透鏡到處都是。一般來講，當(dāng)透鏡天體正好位于背景和觀測(cè)者中間的時(shí)候，透鏡的效應(yīng)最強(qiáng)。

 

 

    通過分析背景光源的扭曲程度、多個(gè)像的位置和特性等，可以幫助我們研究中間作為“透鏡”的物質(zhì)分布的性質(zhì)。根據(jù)尺度與效果的不同，引力透鏡效應(yīng)可以分為強(qiáng)引力透鏡效應(yīng)、弱引力透鏡效應(yīng)和微引力透鏡效應(yīng)。在強(qiáng)透鏡區(qū)域一般可以形成多個(gè)背景源的像，甚至圓?。ㄓ址Q“愛因斯坦環(huán)”），而弱透鏡區(qū)域則只產(chǎn)生比較小的扭曲。強(qiáng)透鏡方法通過對(duì)愛因斯坦環(huán)的曲率和多個(gè)像的位置的分析，可以估計(jì)測(cè)量透鏡天體質(zhì)量，得到暗物質(zhì)的質(zhì)量和空間分布信息。暗物質(zhì)是宇宙的主要組分，是普通物質(zhì)總量的6倍左右，它的引力作用與常見的物質(zhì)是一樣的，不可避免地產(chǎn)生引力透鏡效應(yīng)。所以通過分析引力透鏡來測(cè)定星系團(tuán)里的暗物質(zhì)分布，測(cè)定大尺度上的暗物質(zhì)分布是現(xiàn)代宇宙學(xué)中重要的研究暗物質(zhì)的手段。

 

    2006年美國天文學(xué)家利用錢德拉X 射線空間望遠(yuǎn)鏡對(duì)一個(gè)叫做1E0657-558的星系團(tuán)（即“子彈頭星系團(tuán)”）進(jìn)行觀測(cè)，無意間觀測(cè)到兩個(gè)星系團(tuán)高速碰撞的過程（圖3）。星系團(tuán)之間的碰撞威力之猛，使得兩個(gè)星系團(tuán)的暗物質(zhì)相互穿越的同時(shí)，發(fā)出可見光的正常物質(zhì)被甩在身后，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)引力透鏡觀察到的物質(zhì)分布跟發(fā)光物質(zhì)分布明顯不同，從而證明暗物質(zhì)是星系團(tuán)中的主要物質(zhì)成分。

 

 

    （2）星系的旋轉(zhuǎn)曲線

 

     另一個(gè)令人信服的暗物質(zhì)存在的證據(jù)，來自于對(duì)我們銀河系及附近近鄰星系的觀察。在茲威基提出暗物質(zhì)的概念40 年后，美國女科學(xué)家VeraRubin和其同事Kent Ford在20世紀(jì)70年代開展了對(duì)仙女座大星云（M31 星系）旋轉(zhuǎn)曲線的研究。運(yùn)用此前改進(jìn)的觀測(cè)技術(shù)，他們可以探測(cè)到距離星系核區(qū)域數(shù)十光年的星體的徑向運(yùn)動(dòng)速度。按照牛頓萬有引力定律，如果星系的質(zhì)量主要集中在星系核區(qū)（就像我們看到的M31星系發(fā)出的可見光所展示的那樣），星系外圍的星體的旋轉(zhuǎn)速度將隨著離星系中心越遠(yuǎn)而減小。但觀測(cè)結(jié)果確表明，在相當(dāng)大的范圍內(nèi)，星系外圍星體的速度幾乎是恒定不變的——再次出現(xiàn)了茲威基發(fā)現(xiàn)的類似現(xiàn)象：僅憑望遠(yuǎn)鏡看到的“可見物質(zhì)”，遠(yuǎn)不足以把外圍的星體拽住——至少需要10倍以上的質(zhì)量才能把這些恒星拴在M31 星系中，它們實(shí)在轉(zhuǎn)得太快了。既然仙女座星系沒有分崩離析，要么意味著牛頓萬有引力定律在星系這樣的大尺度上是不正確的、需要修改，要么意味著在星系非核心區(qū)的更廣闊范圍內(nèi)分布有大量的不發(fā)光物質(zhì)，也就是暗物質(zhì)。他們的工作啟發(fā)了大量的后續(xù)研究工作，現(xiàn)在天文學(xué)家認(rèn)為每一個(gè)星系，無論大小，都被各自的暗物質(zhì)暈團(tuán)團(tuán)圍住，甚至有些質(zhì)量小的“矮星系”，暗物質(zhì)的總量要超過普通物質(zhì)的1000倍以上。如何解釋不同星系尺度的“旋轉(zhuǎn)曲線問題”是形形色色暗物質(zhì)理論必須克服的困難。

 

     （3）宇宙大尺度結(jié)構(gòu)

 

     宇宙大尺度結(jié)構(gòu)在物理宇宙學(xué)中是描述可觀測(cè)宇宙在大范圍內(nèi)（典型的尺度是10億光年）質(zhì)量和光的分布特征。近年來大天區(qū)星系巡天的結(jié)果顯示，宇宙似乎顯示一種“網(wǎng)狀泡沫”結(jié)構(gòu)。幾乎所有的星系都分布在狹窄的“纖維帶”上，而在它們的中間則是巨大的空洞，其間分布的星系密度要少很多，天文學(xué)上稱為“空洞”結(jié)構(gòu)。這些空洞的體積巨大，有些直徑可達(dá)3 億光年，盡管看上去那里確實(shí)是什么也沒有，但實(shí)際上天文學(xué)觀測(cè)證明這里充斥著暗物質(zhì)。對(duì)宇宙進(jìn)一步的研究看到，巨大的像是氣泡的空洞分隔開了片狀的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和星系纖維，而超星系團(tuán)就像是其中偶爾相對(duì)出現(xiàn)的密集節(jié)點(diǎn)。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在宇宙學(xué)星系紅移巡天可以清楚地看見。在星系巡天觀測(cè)的三度空間圖的結(jié)構(gòu)中顯示出迄今所知道宇宙的最大結(jié)構(gòu)。所有這些結(jié)構(gòu)的形成都離不開暗物質(zhì)的幫助，可以說，暗物質(zhì)是形成我們宇宙中豐富多彩的結(jié)構(gòu)的重要基石。

 

    （4）宇宙微波背景輻射

 

     宇宙微波背景輻射（CosmicMicrowave Background，CMB）的研究在現(xiàn)代天文學(xué)、宇宙學(xué)以及高能物理學(xué)的發(fā)展中起著舉足輕重的作用。CMB是宇宙大爆炸遺留下來的微弱光子輻射場(chǎng)，攜帶著豐富的宇宙學(xué)信息，幾乎是人類認(rèn)知極早期宇宙演化的唯一有效途徑。CMB的發(fā)現(xiàn)不僅在半個(gè)世紀(jì)前開創(chuàng)了宇宙學(xué)，近年來對(duì)它的精確測(cè)量更是將人類帶入“精確宇宙學(xué)”時(shí)代。CMB 的測(cè)量對(duì)探索當(dāng)代宇宙學(xué)、高能物理及基礎(chǔ)物理學(xué)最前沿問題，例如宇宙加速膨脹及“暗能量”的物理本質(zhì)、“原初”引力波的探測(cè)、早期宇宙暴脹過程的物理機(jī)制等起到了核心作用，是最為精確有效的宇宙學(xué)“探針”。對(duì)CMB溫度場(chǎng)空間各向異性的觀測(cè)研究，極大地推進(jìn)了人類對(duì)宇宙物質(zhì)組分及早期演化的認(rèn)知。

 

    宇宙微波背景是宇宙大爆炸后遺留下來的熱輻射，它是一種充滿整個(gè)宇宙的電磁輻射，其特征和絕對(duì)溫標(biāo)2.725 K的黑體輻射相同，頻率屬于微波范圍。1964年美國射電天文學(xué)家阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜偶然發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景，并于1978年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。CMB 顯示出微小的溫度漲落，對(duì)應(yīng)著局部密度的細(xì)微差異。宇宙在年輕時(shí)期，恒星和行星尚未形成之前，等離子與輻射充滿著整個(gè)宇宙，隨著宇宙的膨脹而逐漸冷卻。當(dāng)宇宙冷卻到某個(gè)溫度時(shí)，質(zhì)子和電子結(jié)合形成中性原子。這些原子不再吸收熱輻射，因此宇宙逐漸變得透明起來。對(duì)CMB的觀測(cè)顯示宇宙中暗物質(zhì)的組分是可見光普通物質(zhì)組分的6倍左右，跟大尺度結(jié)構(gòu)的觀測(cè)結(jié)果相吻合。

 

     4、暗物質(zhì)粒子可能是什么  

 

     暗物質(zhì)的候選粒子必須滿足電中性、與物質(zhì)的相互作用很弱等特性，不然就已經(jīng)跟眾多研究暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)結(jié)果沖突了。在現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)粒子模型中，似乎只有中微子滿足條件。實(shí)際上，中微子曾經(jīng)是“熱暗物質(zhì)”模型的候選粒子。熱暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量較小，若中微子作為宇宙的主要組分，則在宇宙早期結(jié)構(gòu)形成時(shí)，中微子在大尺度的范圍上運(yùn)動(dòng)會(huì)“抹平”宇宙中正在形成的結(jié)構(gòu)，從而使宇宙中的物質(zhì)先在更大的尺度上形成結(jié)構(gòu)（如超星系團(tuán)結(jié)構(gòu)），然后再“碎裂”成更小的結(jié)構(gòu)（如大大小小的星系），即所謂的“從大到小”的順序，有點(diǎn)“頂層設(shè)計(jì)”的意味。然而，這與此前介紹的、通過對(duì)宇宙微波背景輻射和宇宙大尺度結(jié)構(gòu)演化的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)的“從小到大”的順序完全不符。同時(shí)，大量宇宙學(xué)的觀測(cè)數(shù)據(jù)將中微子總質(zhì)量限制在宇宙總質(zhì)量的1%以內(nèi)，而我們知道暗物質(zhì)占宇宙物質(zhì)的1/4左右，這說明中微子最多只能占暗物質(zhì)的一小部分。這樣一來，在標(biāo)準(zhǔn)粒子模型里便沒有符合暗物質(zhì)特性的候選粒子。因此，人們興奮地嘗試著拓展或建立超越標(biāo)準(zhǔn)粒子模型的理論，提出可以解釋暗物質(zhì)的候選粒子新理論。

 

     如前所述，為了與宇宙大尺度結(jié)構(gòu)形成的觀測(cè)和數(shù)值模擬結(jié)果相符合，人們提出了冷暗物質(zhì)模型。對(duì)于冷暗物質(zhì)粒子，它們的質(zhì)量較大，運(yùn)動(dòng)速度緩慢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光速。因此根據(jù)冷暗物質(zhì)模型，宇宙結(jié)構(gòu)是自下而上，從小到大一級(jí)一級(jí)慢慢形成的，小型的天體先在自身的引力下通過氣體冷卻丟失掉系統(tǒng)的角動(dòng)量形成結(jié)構(gòu)，然后又相互在引力作用下并合起來，逐漸形成大的天體結(jié)構(gòu)，使得宇宙結(jié)構(gòu)按照“從小到大”順序演化，這與觀測(cè)的結(jié)果定性上相符合。

 

     在眾多可能組成暗物質(zhì)的成分中，最熱門的要屬一種被稱為大質(zhì)量弱相互作用粒子（Weakly Interacting Massive Particle，WIMP）的新粒子了。這種粒子與普通物質(zhì)的作用非常微弱，以致于它們雖然存在于我們周圍，卻從來沒有被探測(cè)到過。大質(zhì)量弱相互作用粒子顧名思義，主要參與弱相互作用、引力相互作用或其他某種可能存在的新型相互作用，具有較大的質(zhì)量，運(yùn)動(dòng)緩慢。WIMP 粒子的候選者主要為“超對(duì)稱理論”下的中性微子（neutralino）、超對(duì)稱中微子（sneutrino）和引力微子（gravitino）等。超對(duì)稱理論作為標(biāo)準(zhǔn)粒子模型的拓展，幾乎使得所有已知的基本粒子都有了可能的對(duì)應(yīng)粒子，從而拓展了潛在未知粒子的數(shù)目。而這些標(biāo)準(zhǔn)模型粒子的“伴子”由于某種猜想的基本物理特性，其質(zhì)量可能極大。通過檢驗(yàn)超對(duì)稱理論對(duì)標(biāo)準(zhǔn)粒子模型進(jìn)行拓展后的粒子，可以發(fā)現(xiàn)一些粒子能夠作為暗物質(zhì)粒子的候選者，這些粒子均為電中性，有較弱的相互作用。其中，中性微子是超對(duì)稱理論下最合適的WIMP候選粒子。在標(biāo)準(zhǔn)模型的超對(duì)稱拓展中，中性微子為最輕的超對(duì)稱粒子，這保證了它的穩(wěn)定性，不會(huì)輕易衰變，從而能夠作為在宇宙中占據(jù)較大比例的暗物質(zhì)的候選者。軸子的質(zhì)量很輕，但數(shù)量足夠多便具有冷暗物質(zhì)的行為，因此軸子是冷暗物質(zhì)粒子的一個(gè)候選者。還有一種被理論物理學(xué)家很早就提出來解決強(qiáng)相互作用中所謂“CP問題”的粒子，被稱為軸子，長期以來也是理論物理學(xué)家追逐的對(duì)象，被認(rèn)為也有可能是暗物質(zhì)的成分之一。

 

     除了冷暗物質(zhì)模型外，人們還提出了“溫暗物質(zhì)”模型，這個(gè)模型綜合考慮了冷暗物質(zhì)和熱暗物質(zhì)對(duì)宇宙結(jié)構(gòu)的“從小到大”和“從大到小”的貢獻(xiàn)。這個(gè)模型下的候選粒子主要有惰性中微子（Sterile Neutrinos）等。除了這些暗物質(zhì)候選粒子中閃耀的“明星”理論，還有成百上千種各具特點(diǎn)的暗物質(zhì)理論。理論的蓬勃發(fā)展為探索暗物質(zhì)打開了一道又一道大門，呈現(xiàn)出生機(jī)勃勃的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。說到底，我們并不知道暗物質(zhì)是什么，我們必須打開思維的局限，反復(fù)的審視甚至自我否定，因?yàn)橐磺薪杂锌赡堋?/span>

 

     5、如何探測(cè)暗物質(zhì)粒子  

 

     暗物質(zhì)粒子的探測(cè)在當(dāng)代基礎(chǔ)物理學(xué)，包括粒子物理、天體物理、宇宙學(xué)等領(lǐng)域是一個(gè)很熱門的研究領(lǐng)域——宇宙中最主要的一種物質(zhì)成分到底是什么？這個(gè)聽起來就激動(dòng)人心的問題，幾十年來孜孜不倦地吊著科學(xué)家和公眾的胃口。對(duì)于大質(zhì)量弱相互作用粒子來說，物理學(xué)家試圖通過放置在地下實(shí)驗(yàn)室的探測(cè)裝置，屏蔽掉各種干擾來尋找暗物質(zhì)粒子與普通物質(zhì)可能發(fā)生的相互作用。天文學(xué)家們嘗試通過地面或太空望遠(yuǎn)鏡對(duì)暗物質(zhì)粒子在宇宙中可能發(fā)生的相互碰撞并湮滅產(chǎn)生的次級(jí)粒子來間接尋找暗物質(zhì)粒子存在的證據(jù)。粒子物理學(xué)家們希望歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）或者未來更大能量的粒子對(duì)撞機(jī)能夠“人工”自制出暗物質(zhì)粒子來。

 

     （1）暗物質(zhì)粒子的直接探測(cè)

 

     暗物質(zhì)粒子游離在宇宙中的任何一個(gè)角落，地球就是在這樣的“暗物質(zhì)粒子湯”中穿行著。地球上任何一個(gè)原子核都有一定的概率被一個(gè)暗物質(zhì)粒子撞一下，雖然暗物質(zhì)粒子我們看不到，但如果一個(gè)原子核無緣無故“身子”晃了晃，那一定是暗物質(zhì)粒子干的，我們就抓住了暗物質(zhì)粒子的蹤跡。物理學(xué)家可以探測(cè)這種暗物質(zhì)粒子與原子核之間的相互作用所釋放出的熱量或閃光，從而判別碰撞的起源是不是暗物質(zhì)粒子造成的，物理學(xué)家把這種探測(cè)方式叫做直接探測(cè)。暗物質(zhì)直接探測(cè)試驗(yàn)一般設(shè)置于地下深處，地表幾百米甚至幾千米以下，以排除各種可能造成原子核被碰撞的背景噪聲，并且探測(cè)裝置要經(jīng)過多種屏蔽處理等降低噪聲。這類的實(shí)驗(yàn)室包括美國的Soudan 和DUSE、加拿大的SNOLAB地下實(shí)驗(yàn)室、意大利的大薩索國家實(shí)驗(yàn)室等。我們國家在四川錦屏山建設(shè)了地下2500 m世界最深的地下實(shí)驗(yàn)室，正在開展PandaX、CDMX等暗物質(zhì)粒子直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)取得了世界領(lǐng)先的研究成果。

 

    （2）暗物質(zhì)粒子的間接探測(cè)

 

     地球上的暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)一方面要仰仗暗物質(zhì)粒子跟普通物質(zhì)多多少少要發(fā)生一些相互作用，如果暗物質(zhì)粒子真的完全無視普通物質(zhì)，那這種直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)就無能為力了。另一方面，即便真的看到了無法解釋的“碰撞信號(hào)”，仍然需要依賴于對(duì)暗物質(zhì)空間分布的模型才能把地球上的測(cè)量結(jié)果與宇宙整體暗物質(zhì)特性聯(lián)系起來——畢竟我們無法在宇宙空間的其他地方重復(fù)這樣的實(shí)驗(yàn)。到底直接探測(cè)發(fā)現(xiàn)的粒子是不是我們要尋找的主導(dǎo)宇宙物質(zhì)組分的暗物質(zhì)粒子？與直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)互補(bǔ)的另一種探測(cè)方式的基本思路是：既然暗物質(zhì)粒子無處不在，我們可以通過望遠(yuǎn)鏡去尋找暗物質(zhì)粒子在宇宙中發(fā)出的信號(hào)，這就是暗物質(zhì)粒子間接探測(cè)實(shí)驗(yàn)。

 

     間接探測(cè)主要是尋找兩個(gè)暗物質(zhì)粒子互相碰撞湮滅時(shí)所產(chǎn)生的訊號(hào)。不同的暗物質(zhì)模型預(yù)言暗物質(zhì)粒子湮滅所產(chǎn)生的末態(tài)粒子不同，或者比例不同，比如產(chǎn)生高能伽馬射線光子或正反粒子對(duì)（比如正負(fù)電子、正反夸克等）。針對(duì)不同的末態(tài)粒子，物理學(xué)家和天文學(xué)家設(shè)計(jì)了不同的空間望遠(yuǎn)鏡和探測(cè)裝置。盡管暗物質(zhì)粒子在宇宙中無處不在，對(duì)暗物質(zhì)可能產(chǎn)生的帶電粒子來說，很難在宇宙中傳播的過程中會(huì)受到磁場(chǎng)的影響，傳播方向發(fā)生偏折，一般很難知道探測(cè)到的帶電粒子是從哪個(gè)方向發(fā)射出來的，只能通過高能帶電粒子的能譜特征來搜尋暗物質(zhì)的跡象。而伽馬射線光子保留了方向的信息，與能譜信息結(jié)合起來可以提供更多暗物質(zhì)粒子的佐證與判據(jù)。在星系暗物質(zhì)暈中的暗物質(zhì)粒子可以通過一些間接的復(fù)雜物理過程產(chǎn)生伽馬射線光子。對(duì)間接探測(cè)手段而言，最重要的在于完全了解背景噪聲的來源，從中尋找到可靠的暗物質(zhì)跡象。美國航空航天局于20 世紀(jì)90 年代發(fā)射了EGRET 伽馬射線望遠(yuǎn)鏡，并于2008年6月11日發(fā)射運(yùn)行費(fèi)米伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡搜尋暗物質(zhì)湮滅產(chǎn)生伽馬射線的事件，是迄今為止在伽馬射線能段最有效的望遠(yuǎn)鏡。ATIC 實(shí)驗(yàn)2008 年發(fā)現(xiàn)正負(fù)電子的能譜在幾百GeV的能段有一個(gè)超出理論預(yù)言的鼓包，恰恰符合了大質(zhì)量弱相互作用粒子的預(yù)言，轟動(dòng)一時(shí)。意大利領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃PAMELA 更是于2009年就探測(cè)到正電子的能譜在高能段的變化，成為一個(gè)可能的暗物質(zhì)信號(hào)。

 

     美籍華裔科學(xué)家丁肇中教授領(lǐng)導(dǎo)的阿爾法磁譜儀（AMS），也被稱為反物質(zhì)磁譜儀，通過巨大的磁鐵把帶正電和負(fù)電的粒子區(qū)分開，主要目的是探測(cè)宇宙中的反物質(zhì)和暗物質(zhì)。第1臺(tái)AMS-01 在1998 年進(jìn)入軌道，而第2 代價(jià)值20億美元的AMS-02于2011年由航天飛機(jī)運(yùn)送到國際空間站開始觀測(cè)（這也是航天飛機(jī)的最后一次發(fā)射），是迄今為止靈敏度最高，也是最復(fù)雜、最昂貴的一臺(tái)暗物質(zhì)探測(cè)設(shè)備，代表了當(dāng)今科學(xué)實(shí)驗(yàn)的最高技術(shù)手段，由16個(gè)國家和地區(qū)的600余名科學(xué)家歷時(shí)近18年完成，發(fā)射4年多來已經(jīng)精確地測(cè)量了正負(fù)電子譜和其他帶點(diǎn)宇宙射線的能譜，實(shí)驗(yàn)過程可能持續(xù)15~20年。

 

     （3）用粒子對(duì)撞機(jī)人造暗物質(zhì)

 

     不論是直接探測(cè)還是間接探測(cè)，目標(biāo)都是想辦法通過空間或者地面的探測(cè)器抓住在宇宙中游離的暗物質(zhì)粒子的信號(hào)。那么為何不自己制造一些暗物質(zhì)出來研究呢？事實(shí)上，粒子物理學(xué)家們正在利用瑞士日內(nèi)瓦附近的歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）尋找暗物質(zhì)粒子。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)會(huì)將大量質(zhì)子加速到十分接近光速并使它們相撞。這樣的粒子碰撞過程通過強(qiáng)大的能量釋放產(chǎn)生大量的新粒子。在大量的粒子產(chǎn)物中，有這樣的一種可能：在釋放出來的新粒子中探測(cè)器發(fā)現(xiàn)有一束粒子射出，但在另一側(cè)卻發(fā)現(xiàn)沒有粒子出來。發(fā)生這種情況就只有一種可能性，那就是出來的粒子是一種探測(cè)器無法檢測(cè)到的粒子形式，這就很有可能是暗物質(zhì)粒子——比如前文提到的一種暗物質(zhì)粒子的候選者——大質(zhì)量弱相互作用粒子。如果這種粒子的確是組成暗物質(zhì)的基本粒子，并且我們利用大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)發(fā)現(xiàn)了它，那將是物理學(xué)具有劃時(shí)代意義的發(fā)現(xiàn)。然而，如果暗物質(zhì)并非如大質(zhì)量弱相互作用粒子理論中所預(yù)言的那樣，那么或許大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)或許就不能檢測(cè)到它，或者需要更高能量更強(qiáng)大的粒子對(duì)撞機(jī)。中國正在考慮建設(shè)的新一代環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（CEPC），并在第二階段升級(jí)為質(zhì)子對(duì)撞機(jī)（SPPC），屆時(shí)對(duì)撞機(jī)能量比目前運(yùn)行的歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)能量高7倍，暗物質(zhì)粒子的尋找也是其重要的科學(xué)目標(biāo)之一。

 

     6、為什么要發(fā)射空間天文望遠(yuǎn)鏡研究暗物質(zhì)  

 

     由于地球引力作用，幾乎全部的大氣集中在離地面100 km 的高度范圍內(nèi)，其中75%的大氣又集中在地面至10 km高度的對(duì)流層范圍內(nèi)。在地球表面進(jìn)行天文學(xué)的研究會(huì)由于地球大氣層的電磁輻射的干擾和過濾而受到限制。太空望遠(yuǎn)鏡的概念最初出現(xiàn)在20世紀(jì)40年代，天文學(xué)家們?cè)O(shè)想將望遠(yuǎn)鏡放置到太空，因?yàn)榈厍虻拇髿鈱訉?duì)許多波段的天文觀測(cè)影響甚大（圖4），若能將望遠(yuǎn)鏡移到太空中，便可以不受大氣層及地表人類生產(chǎn)生活產(chǎn)生的各種信號(hào)的干擾，得到更精確的天文資料。迄今為止，大量的望遠(yuǎn)鏡被發(fā)射到了軌道上，數(shù)十年來極大地增加了我們對(duì)于宇宙的認(rèn)識(shí)。目前已有不少空間望遠(yuǎn)鏡在太空中運(yùn)行，許多太空天文臺(tái)已經(jīng)完成了它們的任務(wù)，而另外一些則仍然在運(yùn)作中。舉例來說，X射線完全不能穿透地球大氣層，使得建立在X射線觀測(cè)基礎(chǔ)上的天文學(xué)在地表是不可能的。而現(xiàn)在眾多來自美國、歐洲和日本的X射線望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星的發(fā)射打開了天文學(xué)研究的新局面，在高能天體物理的研究中占據(jù)了核心的地位，印度也在近期發(fā)射了第1顆X射線衛(wèi)星，我國也將在2016年下半年發(fā)射首顆X射線天文衛(wèi)星。同樣的，紅外線和紫外線也被大氣層大量阻斷，而暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星所觀測(cè)的伽馬射線能段，也只有空間裝置可以實(shí)現(xiàn)探測(cè)的目標(biāo)。

 

 

     著名的空間天文望遠(yuǎn)鏡包括觀測(cè)可見光波段的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡，觀測(cè)紅外波段的史匹哲太空望遠(yuǎn)鏡、赫歇爾望遠(yuǎn)鏡，觀測(cè)微博波段的WMAP、Planck望遠(yuǎn)鏡，觀測(cè)X光波段的錢德拉太空望遠(yuǎn)鏡，觀察伽馬射線波段的康普頓天文臺(tái)（已于2000年退役）與正在運(yùn)行的美國費(fèi)米太空望遠(yuǎn)鏡等。即將升空的大型空間望遠(yuǎn)鏡包括計(jì)劃于2018年發(fā)射的美國航空航天局新一代空間望遠(yuǎn)鏡，計(jì)劃接替哈勃的天文研究使命。該望遠(yuǎn)鏡以NASA第二任局長詹姆斯·韋伯的名字命名，目標(biāo)是尋找宇宙有史以來第一代恒星和星系；WFIRST則是美國暗能量探索計(jì)劃之一，旨在尋找并精確測(cè)量暗能量、尋找太陽系外行星。 

 

    7、中國暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星（DAMPE）

 

     暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星是中國科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)中，4顆科學(xué)衛(wèi)星的首發(fā)衛(wèi)星，也是中國空間科學(xué)衛(wèi)星系列首發(fā)星。由中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)等科研單位共同參加有效載荷、科學(xué)應(yīng)用等工程項(xiàng)目研制工作。其科學(xué)目標(biāo)為通過高空間分辨和高能量分辨的精確測(cè)量方式，研究高能電子、伽馬射線以及宇宙射線的能量和方向，尋找暗物質(zhì)粒子存在的證據(jù)和研究其物理特性，并在宇宙射線起源和伽馬射線天文學(xué)方面取得重大進(jìn)展，是迄今為止觀測(cè)能段范圍最寬、能量分辨率最優(yōu)的空間探測(cè)器，超過國際上所有同類探測(cè)器。在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)方面，暗物質(zhì)衛(wèi)星首次嘗試了“科學(xué)探測(cè)載荷一體化”設(shè)計(jì)，衛(wèi)星有效載荷質(zhì)量1410 kg，整星質(zhì)量1850 kg，載荷平臺(tái)比達(dá)到了3.2∶1。這樣的設(shè)計(jì)減小了衛(wèi)星體積，降低了重量，大幅節(jié)省了發(fā)射成本。2015年11月9日，中國科學(xué)院重大科技任務(wù)局在中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心組織召開了暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星工程星箭出廠審定會(huì)。11月14日衛(wèi)星和火箭從上海航天科技八院起運(yùn)，駛往酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心。12月17日，暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，搭載由中國航天科技集團(tuán)第八研究院研制的長征二號(hào)丁型火箭成功發(fā)射，并順利進(jìn)入預(yù)定轉(zhuǎn)移軌道，標(biāo)志著中國空間科學(xué)研究邁出重要一步。這是長征-2D型火箭第26次出征任務(wù)，也是長征系列運(yùn)載火箭的第221次飛行。

 

     8、國際與國內(nèi)暗物質(zhì)研究的現(xiàn)狀與展望

 

     國際物理學(xué)界對(duì)暗物質(zhì)的研究相當(dāng)重視，美國、歐洲和日本等國家和地區(qū)都進(jìn)行了相應(yīng)的規(guī)劃和布局。2007年，美國自然科學(xué)基金會(huì)（NSF）、航空航天局（NASA）、能源部（DOE）聯(lián)合成立的暗物質(zhì)研究評(píng)估小組發(fā)布報(bào)告指出，宇宙里面暗物質(zhì)之謎的解決具有極特別的科學(xué)意義，并建議美國加大投入，以保持其領(lǐng)先地位。美國國家科學(xué)院發(fā)布的天文及天體物理2012—2021“十年規(guī)劃”中，暗物質(zhì)和暗能量是主要的研究方向。美國通過搭載于費(fèi)米（Fermi）伽馬射線空間衛(wèi)星上的“大面積望遠(yuǎn)鏡”和位于國際空間站上的阿爾法磁譜儀（AMS-02）進(jìn)行暗物質(zhì)的間接探測(cè)。2008 年，歐洲天體粒子物理聯(lián)盟所規(guī)劃的路線圖中，暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)位于其所規(guī)劃的7 個(gè)項(xiàng)目之首。2009 年發(fā)射的普朗克（Planck）空間觀測(cè)衛(wèi)星已經(jīng)完成了它的使命，并于2016年年初給出了最新的宇宙學(xué)參數(shù)的測(cè)量結(jié)果，包括迄今為止最為精確的暗物質(zhì)組分的參數(shù)測(cè)量。歐洲下一步計(jì)劃在2020 年左右發(fā)射歐幾里得（Euclid）航天器，通過觀測(cè)大量的星系在空間中的分布特性來精確測(cè)量宇宙學(xué)基本參數(shù)（圖5），從而幫助深入理解暗能量和暗物質(zhì)的物理特性。而日本與美國合作也于2015 年8 月發(fā)射了CALET 探測(cè)器，成功放置在國際空間站上屬于日本的艙位開展研究。

 

 

     中國對(duì)暗物質(zhì)和暗能量的研究非常重視。揭開暗物質(zhì)、暗能量之謎，將是人類認(rèn)識(shí)宇宙的又一次重大飛躍，可能導(dǎo)致一場(chǎng)新的物理學(xué)革命。我國已經(jīng)在考慮建設(shè)幾項(xiàng)關(guān)鍵性的探測(cè)暗物質(zhì)、暗能量的重大實(shí)驗(yàn)裝置，包括地下和太空的粒子探測(cè)器和在南極建立大口徑天文望遠(yuǎn)鏡，以取得第一手實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在國際競(jìng)爭(zhēng)中處于主導(dǎo)地位。中國暗物質(zhì)粒子探測(cè)器（DAMPE）衛(wèi)星通過探測(cè)來自宇宙空間的高能伽馬光子、電子及質(zhì)子，以實(shí)現(xiàn)對(duì)宇宙空間中的暗物質(zhì)的間接觀測(cè)，而下一代伽馬射線衛(wèi)星盤古（PANGU）衛(wèi)星已經(jīng)在積極的籌劃中，將成為首個(gè)針對(duì)MeV 到GeV 能段的空間探測(cè)望遠(yuǎn)鏡，尋找暗物質(zhì)在這個(gè)特殊能段的信號(hào)?；谥袊磥砜臻g站為平臺(tái)的高能宇宙輻射探測(cè)裝置（HERD）也處于積極的研發(fā)中，并已經(jīng)在技術(shù)預(yù)研上取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展。

 

     對(duì)暗物質(zhì)和暗能量的研究是當(dāng)代基礎(chǔ)物理學(xué)最前沿的方向之一。天體物理和宇宙學(xué)的研究表明，暗物質(zhì)和暗能量在宇宙的演化過程中起著重要作用。對(duì)于暗物質(zhì)和暗能量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和理論上的探索將大大深化人們對(duì)微觀世界結(jié)構(gòu)和宇宙演化的理解，并極有可能產(chǎn)生物理學(xué)基礎(chǔ)理論革命性的突破。在過去的幾年里面，中國科學(xué)家在暗物質(zhì)的研究中實(shí)現(xiàn)了跨越式的發(fā)展，取得了重要的成績(jī)。這些基礎(chǔ)讓中國跟上了國際前沿研究的步伐，并在某些方面達(dá)到國際上先進(jìn)水平，甚至世界領(lǐng)先。包括暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星在內(nèi)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目將在未來幾年內(nèi)完成一系列互相關(guān)聯(lián)的探測(cè)項(xiàng)目，使中國的暗物質(zhì)研究能夠有機(jī)會(huì)作出引領(lǐng)世界的貢獻(xiàn)。除了中國四川錦屏地下暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室外，其他正在計(jì)劃中的科學(xué)實(shí)驗(yàn)包括在中國西藏阿里地區(qū)建設(shè)宇宙微波背景輻射觀測(cè)望遠(yuǎn)鏡，首次實(shí)現(xiàn)對(duì)北半球暗物質(zhì)大尺度空間分布的精確探測(cè)。這些規(guī)劃中的科學(xué)實(shí)驗(yàn)將能夠全面探索暗物質(zhì)的基本屬性，期待著下一個(gè)10年，暗物質(zhì)的探測(cè)實(shí)驗(yàn)將給人類展現(xiàn)宇宙最神秘的一面。

 

     【本文發(fā)表在《科技導(dǎo)報(bào)》2016年第5期，原標(biāo)題為《暗物質(zhì)的天文學(xué)探測(cè)》。《知識(shí)分子》獲授權(quán)刊載。

     蘇萌，麻省理工學(xué)院物理系/哈佛大學(xué)天文系，Pappalardo Fellow，Einstein Fellow，研究方向?yàn)橛钪鎸W(xué)和高能天體物理。】