【原】王清揚 | 至暗之處

Naz摘星星 2022-04-24

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作者介紹：中國科學院大學理論物理學博士在讀

不知大家有沒有過朔夜出游的經歷。遠離了燈火通明的城市，夜空是那種深邃的黑。抬頭望去，偌大的天穹除卻幾點疏星若隱若現(xiàn)，再沒有任何光亮值得讓我們的視線駐留。這不禁讓人思考，人類的目光所及是否就是宇宙的全部？在深空的至暗之處會不會隱藏著一些我們看不到的事物？

故事要從上世紀二十年代開始說起。這一時期星系天文學剛剛興起，人們開始認識到我們所在的銀河系并不是宇宙的全部，在銀河系之外還有眾多其他的星系。一個星系通常包含幾億到幾萬億顆恒星，然而我們誰都沒有見過數(shù)億恒星躍然于夜空中的壯闊場面，這是因為絕大多數(shù)恒星離我們非常遙遠，它們發(fā)出的光傳播至地球時已非常暗淡。實際上，夜空中肉眼可分辨的恒星最多只有六千顆，它們都在銀河系內。對于銀河系外的其他星系，它們整體看上去只是一片云狀的亮斑，只有借助大口徑的天文望遠鏡才能分辨出其中的一小部分恒星。

正如恒星會在引力的作用下聚集形成星系，星系之間也會在由于引力而結團形成更大的星系團結構。通過觀察星系團中的各個星系的亮度和運動情況，人們可以推算出整個星系團的質量，這里主要有兩種方法。第一種是根據(jù)星系團中星系的數(shù)量和整體發(fā)光情況去反推星系團的質量，這被稱為“光度質量”。第二種是去測量星系團中大量星系的運動速度，根據(jù)速度的離散程度，可以通過引力理論去計算星系團的質量，由這種方法得到的質量被稱為“動力學質量”。如果星系團中的大多數(shù)物質是發(fā)光的，那么這兩種質量應當不相上下。然而在三十年代天文學家Zwicky和Smith卻發(fā)現(xiàn)了一件不可思議的事：某些星系團的光度質量實際上遠小于其動力學質量。這反映出了一個難以置信的事實：宇宙中發(fā)光的物質可能要遠少于不發(fā)光的物質。是的你沒看錯，并不是這些物質發(fā)光太弱以至于無法被我們觀測到，而是它們根本不發(fā)光！換句話說，這些物質不參與電磁相互作用，人們只能通過其龐大的引力效應去感受它們。

由于當時人們對物質的微觀模型了解甚少，且對星系團系統(tǒng)的穩(wěn)定性存在爭議，所以沒有對這些不可見的物質給予足夠的重視。時間一晃到了七十年代，人們已經可以對部分星系中的恒星進行精確觀測。此時，天文學家Rubin和Ford發(fā)現(xiàn)了另一件奇怪的事：仙女星系中大量恒星的運動速度太快，以至于理論上僅靠可見物質提供的引力無法將它們束縛在星系內。這種現(xiàn)象就好比快速轉動一把撐開的雨傘，卻無法將傘面上的雨滴甩出，這意味著它們可能正被一些看不到的東西所牽制。最終這一重要的觀測結果使得不可見物質的問題再度登上歷史舞臺，并且在新的時期它們被賦予了一個充滿神秘感的名字——暗物質。

在暗物質熱度漸起的同時，粒子物理的標準模型大廈也已基本建立，人們對物質的微觀性質擁有了相當?shù)恼J識，已經知道輕子、夸克、規(guī)范玻色子等基本粒子組成了當前物質世界。在標準模型中有天然的暗物質——中微子，這種粒子不參與電磁相互作用且足夠穩(wěn)定，所以一開始很多人認為中微子可能是暗物質的主要組分。但后來的研究表明，標準模型中微子在宇宙中的占比不超過0.25%，遠不足以展現(xiàn)出如此之大的引力效應。因此暗物質的主要組分不是中微子，而是某種在我們的標準理論之外的未知物質。

進入21世紀后，越來越多的觀測證據(jù)坐實了宇宙中暗物質的存在。首先是引力透鏡效應，這是被愛因斯坦的廣義相對論預言的一種天文現(xiàn)象。在廣義相對論中時空會被大質量天體所彎曲，光線在經過這些天體周圍時路徑會發(fā)生偏折，就像經過了一個透鏡一樣。由于星系團的質量非常大，所以它們的引力透鏡效應足夠強烈以至于可以被人們觀察到。根據(jù)引力透鏡效應的觀測數(shù)據(jù)，人們可以反推出星系團的質量分布，從而確定其中暗物質的分布。下圖是2006年對子彈星系團的觀測結果，圖中粉紅色部分是由X射線信號反映出的發(fā)光物質的分布，藍色部分則是由引力透鏡效應反推出的總物質質量分布，可以看到二者是不重合的。這說明可見物質只占星系團總物質的一小部分，星系團的絕大部分質量是暗物質提供的。

暗物質的另一個重要觀測證據(jù)來源于宇宙微波背景輻射（CMB）的測量。通俗地說，CMB就是宇宙大爆炸產生的光。138億年前，宇宙從一場大爆炸中誕生，產生的光充滿了整個宇宙。這些光經過上百億年的演化遺留至今，其波長隨宇宙膨脹被拉長至微波波段，最終形成了今天氤氳在整個宇宙中的微波背景。CMB的觀測結果可以反映出早期宇宙的物理信息。相關研究表明，暗物質和普通物質一樣都是在宇宙大爆炸時期誕生，但它自始至終都遠多于普通物質，今天宇宙中暗物質的總量達到了普通物質的五倍之多！可見，普通物質與暗物質就像是一對被分開的孿生兄弟，雖然它們有著共同的起源，但屬性卻截然不同；雖然它們未曾謀面，但卻可以感知到彼此的存在。

在天文觀測工作如火如荼的同時，物理學家們也建立了各式各樣的理論模型來解釋暗物質的可能組成，小到比中微子還要輕的軸子，大到質量可與一個細胞相比擬的“哥斯拉”粒子，甚至還有原初黑洞這樣奇特的天體。針對這些模型，全世界建設了許多實驗室或實驗裝置來直接或間接捕捉暗物質，我國的錦屏地下實驗室、“悟空”號暗物質粒子探測衛(wèi)星就是其中之二。物理學家們可以根據(jù)這些實驗裝置的測量數(shù)據(jù)來建立或排除暗物質的理論模型，從而探索暗物質可能的物理本質。