寻找暗物质

绝大多数天文学家均接受这样一个令他们困惑的事实：宇宙中看不见的物质在数量上要远远超过我们能够看到的。科学家认为可见物质——包括所有行星、恒星以及星系等只占宇宙总质能的4%左右，我们不知道的物质占了宇宙总质能的96%——其中暗物质占了宇宙的23%，还有73%是一种导致宇宙加速膨胀的暗能量。宇宙中的暗物质比构成我们普通世界的原子物质多得多。在阅读这段文字时，每秒将有100万暗物质粒子穿过你的小指。人们却看不到它们，因为它们不发射任何光，它们不带电荷，与原子物质的相互作用很少。暗物质没有电磁场，这也就意味着几乎无法借助任何常规科学测量设备探测到它们的存在。但人们知道它们是存在的，因为如果它们不存在，就无法解释宇宙的结构。
　　暗物质是谁最先发现的？
　　1915年，爱因斯坦根据他的相对论得出推论：宇宙的形状取决于宇宙质量的多少。他认为宇宙是有限封闭的。如果是这样，宇宙中物质的平均密度必须达到每立方厘米5×10－30克。但是，迄今可观测到的宇宙的密度，却比这个值小100倍。也就是说，宇宙中的大多数物质“失踪”了，科学家将这种“失踪”的物质叫“暗物质”。
　　谁最先发现了暗物质呢？20世纪30年代，瑞士天文学家茨威基（1898～1974）（图1）发表了一个惊人的言论：在星系团中，看得见的星系只占总质量的1%以下，而99%以上的质量是看不见的。茨威基首先发现了暗物质的存在，但当时许多人并不相信茨威基的结果。由于暗物质根本不与电磁波发生作用，更不会发光，所以在天文上用光的探测手段绝对看不到暗物质。
　　暗物质存在的证据
　　万物之间存在万有引力，太阳系的八大行星围绕太阳旋转，越往外其转动的速度越低，比如地球绕日速度是每秒30千米，高于火星，而火星的速度又高于位于它之外的木星，这是典型的中间有一颗大恒星的行星系表现。20世纪70年代初，科学家在观测宇宙其他一些星系中的恒星运行速度时就发现，越往外，围绕中心的速度并不都是衰减下去，而是和内圈恒星的速度差不多。这与越往外，物质越少，引力也越小，速度也应该越低的常规不符。由此反推，此时虽然外圈的那些能被直接观测到、数出来的星星数目变少了，但其实内部的物质数量并没有减少，引力也没有变小，只不过观测不到而已。科学家们大胆地猜测：宇宙中一定有某些物质没有被我们的天文观测所发现，这些物质被称为“暗物质”。
　　科学家认为，通过测量物体围绕星系转动的速度可以找到暗物质存在的证据。根据人造卫星运行的速度和高度，就可以测出地球的总质量。根据地球绕太阳运行的速度和地球与太阳的距离，就可以测出太阳的总质量。同理，根据物体（星体或气团）围绕星系运行的速度和该物体距星系中心的距离，就可以估算出星系范围内的总质量。计算的结果发现，星系的总质量远大于星系中可见星体的质量总和，推算的结果：星系中的暗物质约占宇宙物质总量的20％～30%。
　　到地下寻找暗物质
　　如何“网”住暗物质？科学家们也想了很多办法。地下实验室被认为是进行暗物质研究的最理想场所，其中的原因是：地下深处实验室能最大程度上免受宇宙射线对寻找暗物质存在证据的干扰。科学家认为，宇宙中的绝大多数暗物质并不含有原子，不会通过电磁力与普通物质发生相互作用。而在地面上，因为来自宇宙的射线众多，这些信号会对直接探测产生干扰，影响其鉴别能力。因此，地下实验室可以帮助探测器“挡”住干扰，让其“静心”工作。目前，全球地下实验室多达20多个，科学家正寻求将寻找暗物质的地下实验转移至更深的地点进行。
　　在太空中寻找暗物质
　　除了地下寻找暗物质，科学家利用强磁场和精密探测器来探测宇宙空间的反物质和暗物质，探索和研究宇宙物理学、基本粒子物理学和宇宙演化学的一些重大和疑难问题。
　　阿尔法磁谱仪是人类送入宇宙空间的第一个大型磁谱仪，这是美籍华裔物理学家丁肇中教授提出并领导的大型国际合作科学研究项目，由美国和中国等10多个国家和地区的37个科研机构参加科研工作。阿尔法磁谱仪由一个直径约1.2米、高0.8米、重量约为1.85吨的圆环形永磁体产生均匀的平行磁场，磁束密度约为0.15特斯拉。圆环内安装6层硅微调探测器，用来记录带电宇宙射线粒子的运动轨迹。磁谱仪的上、下两层还装有闪烁体，当粒子穿过时会发出亮点，其亮度与粒子穿过时的能量成正比。通过上、下两层光点亮度及穿过瞬间的比较，可以得出粒子能量的损失大小以及粒子穿过所需的时间。反物质、暗物质在磁场中运动时会表现出不同的特点，因而可以探测出来。阿尔法磁谱仪能精确测量存在于太空中的反质子、正电子、光子和其他粒子的能量分布，从而有可能揭开暗物质的秘密。2012年5月，高精度粒子探测器“阿尔法磁谱仪2”由美国“奋进号”航天飞机搭载到国际空间站上长期运行，科学目的是寻找反物质和暗物质。
　　新发现：暗物质可以创造生命？
　　美国费米实验室天体物理中心的两位科学家发现，暗物质存在另一种神秘效应，这种效应可能支持宇宙中生命的诞生，或者说是生命进化的一个重要因素。费米实验室的科学家提出新的暗物质效应：遍布宇宙空间中的暗物质粒子可能在一种机制的作用下，进入一个行星的核中，并通过与物质的湮灭释放出足够的能量，这些能量能保证这颗行星上出现液态水，从而支持生命的诞生。这个观点超越了传统的太阳系外生命理论所认为的：生命应该诞生于恒星的宜居带上。这个观点在相当程度上拓展了天体生物学家对太阳系外生命的定义范围：原先天文学家都是寻找遥远恒星周围的可居住带，认为在那儿具有适当的光照，适宜的温度，可以让水保持液态，从而支持生命。但是，暗物质粒子碰撞理论打破了这种思维常规，只要在暗物质聚集丰富的行星周围就具备了液态水所需要的环境条件，高密度暗物质覆盖的行星将是今后天文学家观测的重点。
　　随着暗物质的证据不断增加，如今暗物质已经成为现代天体物理学中一个牢固确立的概念。实际上，这个概念几乎必须存在，这样才能解释为何单个星系快速旋转却没有分崩离析以及星系群为何以这样相互作用的方式运动。如果不存在比恒星、星际分子气体云和其他可见物质多10倍的暗物质，那么宇宙将不合情理。【责任编辑】蒲 晖
　　链接1：
　　暗物质与暗能量的区别
　　暗物质是指那些自身不发射电磁辐射,也不与电磁波相互作用的一种物质。人们目前只能通过引力产生的效应得知宇宙中有大量暗物质的存在。已经知道的两种暗物质是黑洞、中微子，但是它们占暗物质总量是非常微小的，暗物质中的绝大部分现在还不清楚。暗物质占宇宙物质总量的23%。
　　暗能量是一种充溢空间的、增加宇宙膨胀速度的难以察觉的能量形式。我们知道的普通物质与暗物质加起来大约只占其三分之一左右，所以仍有三分之二的短缺，这一短缺的物质称为暗能量，暗能量在宇宙中占总物质的73%。目前对于暗能量仍然知之甚少，暗能量假说是当今对宇宙加速膨胀的观测结果的解释中最为流行的一种。
　　链接2：
　　暗物质的理论模型
　　历史上，人们将可能的暗物质分为3个大类：冷暗物质、温暗物质、热暗物质。?这个分类并非依照粒子的真实温度，而是依照其运动的速率。冷暗物质：在经典速度下运动的物质。 温暗物质：粒子运动速度足以产生相对论效应。热暗物质：粒子速度接近光速。
　　链接3：
　　暗物质与人体碰撞
　　每秒钟有数以亿计的暗物质粒子穿过我们的身体，其中大部分在通过时都畅通无阻，但是，偶尔某一个暗物质粒子会与我们身体里的原子核发生碰撞。这种情况经常发生吗？2012年，美国两位科学家计算出了暗物质和人体组织发生相互作用的几率。他们计算了平均尺寸的人体中，有多少原子核与穿过的暗物质粒子发生了碰撞。得到的计算结果是，地球上每个人每年要承受１０万次的暗物质粒子碰撞。
　　链接4：
　　中国建地下实验室寻找暗物质
　　2010年12月，中国首个极深地下实验室——“中国锦屏地下实验室”在四川雅砻江锦屏水电站揭牌并投入使用，锦屏地下实验室垂直岩石覆盖达2400米。它的建成标志着中国已经拥有了世界一流的洁净的低辐射研究平台，能够自主开展像暗物质探测这样的国际最前沿的基础研究课题。
　　链接5：
　　欧洲强子对撞机寻找暗物质
　　欧洲核子研究中心（CERN）表示，他们的大型强子对撞机（LHC）已经发现了疑似希格斯玻色子的粒子，下一步将着手搜寻暗物质，为了完成这一目标，他们将耗资12亿欧元对大型强子对撞机进行升级。