宇宙暗物质的发现简史（上）

在欧洲原子能机构（CERN）的大型强子对撞机实验室从事基础科学研究的物理学家发现了希格斯波色子之后，CERN的总干事长罗尔夫·霍培尔被问及到下一个要发现的粒子时，霍培尔不加思索地回答，下一个优先寻找的是暗物质粒子。之所以将暗物质作为其中之一的“优选粒子”，这是因为暗物质在宇宙的存在比普通物质更加普遍，它们的数量相当于普通物质的5倍，暗物质似乎以一种团块形式“漂浮”在宇宙之中，它们构成了宇宙“大而全”的“脚手架”，依托暗物质的框架，普通的可见物质汇聚成看上去美轮美奂的星系。科学家确定了暗物质的存在，却不能确定它们的性质，他们相信暗物质像物质一样由基本的粒子组成。暗物质概念周期性地出现在媒体的报道中，就像外星人概念经常出现在各种媒体上一样，或者暗物质概念和外星人概念在多种媒体出现的频率符合哲学传播论的“等效原理”。虽然时常有世界各地的实验室声称发现了某种潜在的暗物质信号，但是，科学界和媒体人士都在等待暗物质发现的时刻，由于暗物质的捕获而获得物理诺奖应该没有什么悬念。

虽然科学家没有发现暗物质粒子，但是，他们早已发现了暗物质现象。在上个世纪的三十年代，奥地利天体物理学家弗里茨·茨维基观测了后发座星系群中星系的旋转，后发座星系团由1000多个星系组成，距离我们的地球为3亿光年，茨维基以星系发出的光线为参考估算了星系的质量，他非常惊奇地发现，如果对星系质量的估算正确，那么星系的质量不能维持自身的运动，缺少足够的物质引力将导致星系的分崩离析，茨维基估计，至少需要相当于星系质量400倍的额外物质才能将星系“绑定”在一起，这种“神秘兮兮”、或看不见、摸不着的物质是一种“暗”物质，它们构成了星系物质的主要部分，或者主要部分的“暗”物质和次要部分的普通物质构成了星系的总量物质。在次维基提出“暗”物质概念之后的一段很长时间，这种“不切实际”的概念在很大程度上被忽略了，直到上个世纪的七十年代，美国女天文学家维拉·鲁宾观测到和茨维基的发现同样的现象，她仔细地研究了我们邻居的仙女座星系中恒星的旋转速率，通常说来，在星系边缘的恒星由于受到的引力小，它们围绕星系中心的旋转速度应该更慢一些，而在星系中心附近由于受到最大引力的拖拽，它们围绕星系中心的旋转速度应该更快一些，然而，让鲁宾感到困后不解的是，在星系边缘的恒星和在星系中间恒星拥有一样的绕转速度。

天文学家鲁宾假定仙女座星系如果被暗物质包裹，那么不同距离上恒星绕转速度的异常现象能够得到合理的解释，在银河系和仙女座星系的周围可能包围了“一大圈”暗物质“晕”。其它的一些天文观测成果证实了星系和光线在空间穿越时的怪异表现，也许通过我们未知的引力属性可以解释天文学家感到的迷惑，但是，鲁宾像茨维基一样倾向于认可“暗物质”概念，科学家看不到它们的存在，却发现了它们产生的引力效应。或者由于统计学的原因，或者由于不能排除替换性的可能解释，也许无需假设“暗物质”的概念，但是，任何可替换性的解释都需要观测结果的证实。1998年，埋藏在意大利格兰·萨索山洞的暗物质探测器在实验数据中发现一种有意思的信号，DAMA实验项目的科学家探测到一种疑似暗物质行为的粒子，这种粒子的奇特之处在于数量密度的周期性变化，它们的密度呈现年度的增减，在6月份达到密度的峰值，在12月份达到密度的低值，DAMA实验项目的科学家联想到天文学家正在“聚精会神”地寻找暗物质“晕”，银河系被更大一层的“晕”包裹，或者银河系的内外充斥了暗物质“气体”，地球围绕太阳旋转时不断穿越暗物质“晕”，同样，太阳系围绕银心旋转时不断穿越“层层叠叠”的暗物质“气体”。

DAMA实验项目的科学家解释暗物质存在的方式非常奇特，他们认为，如果在半年之中地球沿太阳的旋转方向和太阳沿银河系旋转的方向相同，那么“暗物质粒子”的密度应该增加；如果在半年之中地球沿太阳的旋转方向和太阳沿银河系旋转的方向相反，那么“暗物质粒子”的密度应该下降，或者地球和太阳的结合速率在两者的旋转方向一致时显得更快，地球和太阳的结合速率在两者的旋转方向不一致时显得更慢，DAMA实验项目的数据似乎揭示了地球和太阳在公转运动中穿越了“暗物质晕”的包层，然而，存在实验的漏洞，除了暗物质晕的设想，也存在其它解释的可能，科学家不能完全确认地球和太阳在旋转中穿越了暗物质的太空媒介。在意大利进行的DAMA实验现在被称为DAMA/LIBRA，实验室的科学家仍然在继续寻找某种粒子密度的年度调节现象。暗物质已经成为热门的科学搜索对象，世界上有多个暗物质搜索项目，DAMA实验项目在地面进行，而搭载在国际空间站的质谱仪和中国的“悟空”号暗物质卫星属于空间暗物质搜索项目。

（科普编译：2018-9-1）