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起源于宇宙大爆炸时期,这种物质被认为是宇宙的主宰,没有它我们将不复存在!

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  作者:王治钧

  来源:《知识就是力量》杂志

  宇宙中大约有85%的物质是“暗物质”,它无法透过电磁波的直接观测进行研究,但是这种神秘物质却会对宇宙产生巨大影响。这些奇怪的东西到底是什么?如何研究它?它与人类的存在有什么关系呢?

  2019年TED和美国国家科学院的联合活动邀请了斯坦福大学物理学家里萨·韦克斯勒(Risa Wechsler)分享了关于暗物质的研究,里萨是SLAC国家加速器实验室的粒子物理和天体物理学教授,兼卡夫利粒子天文物理学和宇宙学研究所的所长。在演讲中里萨解释了为什么暗物质可能是理解宇宙形成的关键因素,并分享了世界各地实验室的物理学家们如何提出了创造性的研究方法。

  

  美国斯坦福大学物理学家里萨·韦克斯勒(Risa Wechsler)

  暗物质——宇宙的主宰

  中国古代将金、木、水、火、土作为基本元素,以此来研究世界万物的形成及其相互关系。随着近现代科技水平的进步,人类逐渐知道宇宙物质由分子、原子、质子等微粒组成,这些物质都是可以被观察到的,比如星系、星球、气体、灰尘、生物等,但这些“普通物质”只占全宇宙所有物质的15%,而其余85%的物质不会被吸收或发射光线,我们用肉眼无法观察它们,也几乎无法用电磁波或其他任何的可见光探测它们,这就是暗物质。暗物质是抽象的、难以想象的,但暗物质就在我们身旁。

  了解暗物质对人类的作用,首先要了解银河系的起源。

  

  银河系

  宇宙大爆炸后不到一秒的时刻,宇宙膨胀得非常迅速,所有的物质都是在这个时候创造的。大约在大爆炸发生的40万年以后,宇宙温度高,密度大,很平滑,但是物质质量分布不均匀。这个过程中暗物质发挥了很重要的引力作用,使这些质量不够重的点聚集到一起。

  

  左边为充满暗物质的宇宙模型,右边为缺乏暗物质的宇宙

  有暗物质的宇宙,质量聚集增加得很快,更容易形成星系,缺乏暗物质的宇宙只有很小的块状物质,只会保持原有的状态,改变也会相对较小。所以说暗物质决定了宇宙中星系的起源、形成与演化,在缺失暗物质的宇宙环境里,自引力系统很难形成,不会出现像银河系这样的大星系,形成适宜生物的星系的概率大大降低,自然也不会有人类或者其他生命体出现。所以说暗物质是宇宙的主宰,没有它我们将不复存在。

  探测暗物质的“三大法宝”

  大多数的物理学家认为暗物质是一种粒子,在很多方面与我们所知的亚原子很像,比如质子、中子和电子。物理学家和天文学家尝试多个方法去寻找看不到的暗物质粒子,目前探测暗物质的方法有3种,比如地下实验室的探测器、地面或太空探测器以及通过大型强子对撞机(LHC)创造出暗物质粒子。

  直接探测:

  极深的地下实验室

  我们可以想象宇宙中的各种粒子一直如倾盆大雨般冲击着地球,要甄别发现隐身其中的暗物质粒子,就如同从熙熙攘攘的运动场中探听到一根针掉在地上一样困难。为屏蔽掉嘈杂的各种宇宙粒子,科学家们通常会利用极深地下实验室,这是开展重大基础前沿物理实验研究的一种极佳环境。

  

  多个国家利用矿井和隧道深坑实验室建造了灵敏的暗物质探测器,等待穿过地球的暗物质粒子撞击密度更大的物质,希望可以从中找到暗物质的蛛丝马迹。

  中国四川锦屏山暗物质实验室处于地下2400多米,是世界最深实验室,可以屏蔽大量宇宙射线的干扰,如果足够幸运,实验室反应器能捕获到暗物质粒子穿过岩石的痕迹。锦屏山实验室在一期建成投入使用后,科学家们已经取得了一系列研究成果,排除了一些暗物质的研究方向,缩小了研究范围。二期工程将会安装更强大的吨量级超级探测器,可以更灵敏地探测暗物质颗粒。

  间接探测:

  太空探测器探测暗物质

  如果说地下实验主要进行的是暗物质直接探测,是探测暗物质粒子与普通物质之间的碰撞过程,那么太空空间仪器就是一种间接探测,和地面直接探测所基于的物理假设区别很大,是一种互补关系。

  物理学家们认为,暗物质粒子碰撞后会产生高能粒子,暗物质卫星探测器就是尝试去精确探测这些粒子,通过其能谱、空间分布来寻找暗物质粒子存在的证据。

  

  太空探测器

  目前国际上最著名的几个暗物质探测器包括美国费米卫星、阿尔法磁 谱仪AMS-02和中国的“悟空”。 三者各有特色,“悟空”在观测能段范围、能量分辨率、粒子鉴 别本领等方面有很大优势,特别适合寻找暗物质粒子湮灭过程中产生的一些非常尖锐的能谱信号。 因为这个探测器有308根纵横交错的“水晶棒”,每一根都有2.5厘米见方、60厘米长,是世界上最长的锗酸铋晶体,这些漂亮的“水晶棒”能够测量入射粒子的能量。

  加速器碰撞探测暗物质粒子

  科学家们也尝试利用瑞士的大型强子对撞机将粒子撞击在一起,看是否能产生暗物质。加速器可以将亚原子粒子加速到接近光速,然后让它们相互碰撞,通过高速碰撞产生出多种粒子,包括暗物质粒子。然而,即使采用最强大的粒子加速器至今也未能发现暗物质的迹象,原因之一可能是现有的加速器功率、速度还未达到理想值。

  

  大型强子对撞机

  瑞士的大型强子对撞机(LHC)是世界上最大的粒子对撞机,如今已经进入暮年,科学家们希望设计推出一款更强大的粒子加速器,欧洲核子研究中心(CERN)就计划在瑞士日内瓦地下隧道中再建造一个长达100千米的圆形超级对撞机,质子对撞的能量将是当前老对撞机LHC的6倍,以此来推动高能物理学的前沿研究。

  对于暗物质探索一线的科学家来说,寻找一种充满未知的物质,不管是地面还是太空,都需要更多不同类型探测器收集更多数据,排除更多理论假说,才可能找到认识暗物质的正确方向。目前为止,上述的这些探测研究都或多或少已取得一定进展,排除了一些疑似暗物质的情况,但这些观察依然没有办法明确什么是暗物质,路漫漫其修远兮,科学家们仍然在上下求索,努力去寻找答案。

  利用暗物质“巡天”

  如果没有暗物质,我们的银河系将不复存在。这些星系如何在宇宙中变化、分布、移动都和暗物质有关,因此,我们可以通过对星系的观察来检验研究暗物质的一些预测。

  首先科学家可以用星系绘制宇宙图。“暗能量调查项目”绘制了迄今为止最大的宇宙图,测量跨越八分之一天空的近1亿个星系的位置和形状。

  宇宙图向我们展示了天空这一区域中的所有物质,是由这1亿个星系扭曲的光线推断出来的。光线在穿过这些星系和我们地球之间的物质时发生了扭曲——物质的引力足够强可以弯曲光路。

  这种类型的巡天图可以告诉我们暗物质的数量,也可以告诉我们暗物质的大致位置以及其随时间的变化,从而进一步了解宇宙的构成。

  另外,宇宙中最微小的星系也提供了一些好的线索。

  暗物质可以分成热暗物质(HDM),温暗物质(WDM)和冷暗物质(CDM)。温暗物质运动比较快,冷暗物质运动缓慢。温暗物质粒子运动快,星系中的引力不足以令其减速,它们更容易流失掉,围绕银河星系的小块暗物质会减少,因此在这些小块暗物质中的卫星星系数量也会减少。于是通过测量卫星星系的数量,科学家可以区分这些暗物质的类型。

  

  左为温暗物质,右为冷暗物质

  如果在晴朗天气下仰望南方的夜空,我们能看到两个真实环境中的小星系就是如此,它们环绕着银河系,分别是大麦哲伦星云和小麦哲伦星云。

  在过去的几年中,科学家利用制作宇宙图所用的暗能量检测发现了很多非常小的星系,有的只包含有几百颗恒星,相对于我们银河系的几千亿颗来说,这种小星云很难找到。

  现在我们知道有60个小星系正在绕着银河系旋转,这些小家伙是暗物质的重要线索,这些星系的存在就告诉我们:暗物质不可能很快移动,当碰到正常物质时暗物质不会发生太多改变。

  

  当代粒子物理及天体物理领域里暗物质是一个很热门的研究领域。在未来科学家们将制作更加精确的巡天图,完善我们对整个银河系和宇宙的理解。暗物质仍然是一个巨大的谜,但它的研究过程更加让人激动。随着科技水平的提高,这项研究将更加深入,人类将逐渐揭开谜团,这可能让我们对物理学理论有全新的理解,并从中探究人类在宇宙中的位置。

  (责任编辑 / 韦斗斗 美术编辑 / 李子夜)

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