科学家是怎样探索暗物质暗能量的?
 

科学家是怎样探索暗物质暗能量的?

(本文来自知乎 作者:贝贝)


​    纪实

普林斯顿的物理学家Jim Peebles20世纪60年代,他全程参与了发现宇宙微波背景辐射的研究,从此他与宇宙结下了不解之缘。

1965年,Peebles开始研究宇宙是怎样从本初状态演化为星系的。有一天,普林斯顿的同事、天文学家Jeremiah Ostriker(耶利米欧斯垂克)来找PeeblesOstriker说他最近对银河系的行为感到非常困惑:如果旋转一个球状的液滴,它会变成扁球状,并且越转越平,最终收缩成块状。而对于旋转着的巨大银河系来说,它应该只需要旋转一圈就会变成块状,或者分裂成2个。可是到目前为止,银河系的岁数应该至少允许它转了十几圈。

善于使用计算机的Peebles于是创建了银河系的模型N-体模拟,取一定数目的点,通过编程使它们按照你想要的任何特性发生相互作用,看作用如何展开)。Peebles根据银河系的特点,把所有的点排成旋涡状,并让整个系统旋转,结果在第一个2亿年的旋转中,模型中的银河系就出现了灾难性的摇晃。因此,两个科学家都认为,需要某种东西来维持旋转星系的稳定。

于是,他们为计算机模型加入星系晕,通过不断尝试,最终发现,只有不可见的星系晕同星系可见部分的质量大体相当时,银河系才能保持稳定。1973年,他们发表了一篇文章,称银河系的星系晕质量,以及其他旋涡星系的星系晕质量可能极其巨大。随后,Peebles等继续分析天文学家已有的观测,并得出一个结论:普通星系的质量可能一直被低估了10个或者更多的量级。

其实,对于迷失质量的问题,早在1933年,天体物理学家Fritz Zwicky(弗里茨兹威基)在研究后发座星系团中的8个星系时就发现,其质量密度一定比单从发光部分推断的值大400倍。1936年,天文学家Sinclair Smith(辛克莱尔史密斯)讨论了他在处女座星系团中注意到的相同情形,提出了星系团内部大质量的星云间物质的存在。只是在当时他们的发现没有得到足够的重视,技术水准也无法提供有力的证据。

纪实二

20世纪60年代,年轻的Vera Rubin(薇拉鲁宾)刚刚获得地磁研究部的工作,她和仪器专家Kent Ford(肯特福德)共同合作,观测仙女星系中远离星系中心区域的运动。他们的优势在于福德制作的成像管光谱仪能够将把仙女星系的观测推到离中心很远的地方,超过了当时其他天文学家对一个星系的观测所能达到的距离。最终,他们的观测达到了旋涡最远的边缘上。

仙女座是一个和银河系相似且距离我们最近的星系。根据牛顿万有引力定律,在恒星系统内,行星离中心恒星越远,它的轨道运动越慢,如果把距离与速度之间的关系描在曲线图上,就会得到一条下行的曲线(比如太阳系就是这样)。在观测仙女座时,RubinFord预计能观测到同样的情况,希望得到仙女座的一条下行曲线。

RubinFord把对仙女座星系的观测结果描成运转曲线时,惊奇地得到了一条平直的线。也就是说,最外围恒星的运行速度和最内部恒星的速度相同。1969年,他们将这一观测写成论文投稿《天体物理》杂志。

此后,他们运用更加先进的望远镜和光谱仪继续研究星系的运动。1978年他们发表论文指出,观测其它8个星系的旋转曲线全部都是平直的。因此相印证的是,其他射电天文学家对星系的观测也得出了相同的结果,在对25个其它星系的观测中,有22个星系的旋转曲线是平直的。

因此人们猜测,一定有什么我们还不知道的东西在影响星系的行为。这就是暗物质概念的起源之一。

纪实三

这是暗物质和暗能量存在的更重要的证据,因为它颠覆了整个天文学界对宇宙的认知。

20世纪20年代,Edwin Hubble(埃德温哈勃)发现星系远离地球的速度呈越远越快的正比关系。这意味着宇宙是在膨胀,科学家们需要考虑宇宙的膨胀会怎样发展?它在未来会是怎样的?

20世纪80年代,加州大学伯克利分校的几位物理学家和研究生组成超新星自动搜索小组,他们想用超新星作为标准烛光,探测宇宙膨胀速度是否减慢(当时大部分科学家认为,膨胀着的宇宙充满物质,物质通过引力互相吸引会使宇宙的膨胀减速)。在工作并不顺利的情况下,最终还是有了收获,他们找到了一种可以发现批量超新星的方法,开展流水线工作,探测到了很多超新星。

20世纪90年代,一些天文学家也加入探测超新星行动,他们同样成立了一个名为高红移超新星搜寻的小组。两个小组会竞争对天文台望远镜的使用以及观测时间,好在两个小组得到了天文台分配委员会的公平合理安排。他们还都获得了哈勃太空望远镜的主任机动时间

最后,两个互相竞争的小组得到了相同的答案,远远超出他们的预期。起初他们只想获得宇宙膨胀减慢的证据,没想到实际结论恰恰相反——宇宙正在加速膨胀。1998年,两个超新星小组的代表和另外2个天文学家一起,召开了记者招待会,4个独立的研究项目,用同一个声音向世界宣布:宇宙将永远膨胀。

宇宙将永远膨胀结论告诉科学家,即便是为了存在,宇宙也不会仅仅由物质组成的,不论是暗物质与否,宇宙需要其它的东西才能成为现在的宇宙。

纪实四

这个故事和爱因斯坦曾经提出的宇宙学常数Λ有关。

在哈勃发现宇宙是膨胀的之后,爱因斯坦认为宇宙并非是稳态的,于是不再需要Λ了,并称这个宇宙常数是他最大的失误在观测家和理论家们看来,Λ好像既存在又不存在,有的时候就干脆假定Λ = 0

PenziasWilson1965年探测到各向同性的宇宙微波背景辐射之后,天文学家们发现,宇宙在大尺度上的确就像爱因斯坦曾经假设的那样均衡和各向同性。1979年,Alan Guth(阿兰古斯)提出暴涨理论,可以很好地解释宇宙在大尺度上为什么是均衡和各向同性的。

于是宇宙学中提出了另一个符号——Ω因为他们开始认为宇宙的命运取决于宇宙有多少物质,用Ω表示决定宇宙命运的量度:如果宇宙包含能使膨胀停止的那么多质量的一半,Ω=0.5;如果包含所需质量的四分之一,Ω=0.25,依此类推。如果包含的质量刚刚使宇宙的膨胀停止,则Ω=1。聪明的天文学家们甚至可以测量出Ω的具体值——如果有一个标准烛光的话。

科技手段的进步为科学家们提供了更加精确的数据,尤其是哈勃太空望远镜作出了重要贡献。19977月,超新星研究小组完成了对两颗哈勃望远镜超新星的光度分析,得出了它们的亮度,利用光谱分析可以得到红移的信息。相对于特定的红移来说,超新星的亮度比预期的亮度越亮,得出的Ω的值就越高;如果超新星的亮度比预期的亮度要暗,得出的Ω值就会越低。

将两颗超新星的数据描成图像,一根数轴代表红移,一根表示亮度,科学家们发现红移对应的亮度比预期的要小,这两颗超新星的实际亮度只有预期光度值的大约一半。由于超新星研究小组掌握了探测超新星的批量方法,他们有几十个超新星的数据。他们发现,分析的超新星越多,得出的Ω值似乎越低,最终由31颗遥远超新星的数据给出了一个一致性较低的答案:在数据柱形图中,Ω=0.2的附近出现了一个峰值。

与此同时,高红移超新星搜寻小组的Adam Riess(亚当利斯)也在试图用他的方法得出比超新星研究小组更加精确的结论。Riess根据光度曲线形状提出了一种数学方法,可以推出超新星的亮度。由于星际尘埃可能会很大程度影响探测到的超新星的亮度,Riess又发明了多颜色光度曲线形状法,用不同颜色的滤镜对光进行观测,可以对尘埃的影响提供一种累积性的测量结果,这样可以得出更精确的距离测量结果。有趣的是,运用他的方法,对高红移超新星进行计算,Riess得出了一个具有负物质的宇宙。

但是,如果对爱因斯坦方程里的Λ给定一个正值,一切就合理了。Riess认真检查了他的数学、计算机程序,结果还是一样。小组领导者、天文学家Brian Schmidt(布莱恩施密特)再一次做了认真检查,确定Riess的结果没有错误。接受了这个结果,而宇宙不可能是负物质的,他们就选择接受给Λ一个正值,不再假设Λ=0了。

    纪实五


    宇宙在加速膨胀,
Ω=0.2Λ不再等于0,这几个简单结论对当时的天文学家们来说简直是既震惊,又困惑,天文学家们之前对宇宙的认识遭遇了颠覆。

两个互相竞争的超新星小组互为支持和证明,他们都通过不同的路走到了相同的终点:宇宙会一直膨胀,宇宙的膨胀是加速的,他们需要一个数值为正的Λ让宇宙变得可以理解(最终他们给Λ一个0.7的值)。

对天文学家来说,Λ当时大概只是一个符号,Adam Riess对高红移超新星的分析需要Λ有一个0.7的正值,否则宇宙就会具有负质量。

但是,对粒子物理学家来说,一个等于0.7Λ又带来了新的问题。

爱因斯坦曾经预言,空间的第一个性质是可能有更多的空间存在,第二个性质就是空的空间可以拥有属于它自身的能量(empty space can possess its own energy)。在粒子物理学家看来,Λ并非只是一个符号,它是空间的一种性质。按照粒子物理学,真空并不是真那么空,而是一个虚拟粒子在存在与非存在之间不断地生成和湮灭。这些粒子不仅存在,还具有能量,由真空能量的存在带来实验可观测的物理效应就是Casimir effect(卡西米尔效应)。

因此,真空中存在正能量本身并不让物理学家吃惊,让他们感到有问题的是,当他们试图计算这种虚拟粒子会给宇宙的空间带来多少能量时,得出的答案却远远大于天文学家们得出的0.7,大到10120倍。这个值太夸张了,在这种能量密度下,空间的伸展将变得非常极端。因此,目前为止,物理学家还是搞不清宇宙的粒子到底玩了什么魔术,搞不清它们到底是按照怎样一种恰如其分的比例彼此湮灭才有了今天的世界。

20世纪末,科学家们在讨论这些问题的时候,求助于两种推想:面对不得不正视的迷失质量的问题,为了理解星系的运动,他们推想存在暗物质;面对加速膨胀的宇宙,为了解释超新星的光度,他们推想存在暗能量。

纪实六

科学家们首先想到,会不会有什么东西遮住了超新星的光让它变得比预期的要暗?因为有一种奇异的灰色尘埃不过,实际上并没有人发现它的存在。Adam Riess考虑,如果人们对暗物质和暗能量推理的方向是正确的,那么可能会出现这样的情况:现在这个时代,暗能量占主导地位,它的反引力作用比引力更强,因而宇宙在加速膨胀,超新星会显得比预期的更暗。于是,如果把时间往回推,膨胀的宇宙往回压缩,就必然有一个阶段,物质的密度大到一定程度时,产生的引力的积累效应会足够大,在那个时候由暗物质产生的引力效应超过暗能量的反引力效应,宇宙的膨胀应该是减速的,当时爆发超新星的亮度就会比预期的更亮。如果能够观测到一颗足够遥远的超新星,远到它存在于宇宙膨胀速度逆转前的时代,就可以印证这种想法是否正确,对暗物质和暗能量推理的可靠性就进一步加强了。

幸好这个时代已经有足够的技术来印证这个想法。哈勃望远镜成了天文学家最好的助手之一,它可观测的深空区包含了约3000个星系,其中有些是宇宙中最早的星系。在这片深空区,天文学家的确发现了古老超新星的身影,有两颗被标记为1997ff1997fg,它们是地基望远镜观测所无法企及的。但当时并没有后续观测。

1997年,航天员为哈勃望远镜加上了两个厉害的仪器:近红外相机和多目标光谱仪,它们对非常遥远的天体特别敏感。近红外相机和多目标光谱仪小组把目标对准了哈勃深空区进行拍摄,幸运地捕获到了超新星1997ff1997fg

Riess在照片库里根据坐标找到了这些照片,并对1997ff进行深入分析,通过红移确定了爆发的时间在110亿年以前,足够古老了。

Riess排除了灰色尘埃以及其它可能的影响。他发现,与预期亮度相比,1997ff要亮上2倍。这是一个有力证据,证明宇宙的膨胀曾经发生过逆转。2003年他的小组宣布,他们已经找到了宇宙膨胀逆转的时间大约是50亿年以前。那个时候,暗能量的反引力作用力战胜了引力,导致宇宙的膨胀在其后加速。随后几年,Riess的小组又发现证据,表明在这个时间点之前的将近90亿年里,暗能量应该也是存在的。

NASA的哈勃望远镜拍摄的深空图像,图中显示超新星1997ff

位于北哈勃深空区右上角


         20
世纪80年代末开始,哈佛-史密森天体物理中心发现了一个星系巨墙The Great Wall),它是宇宙中最大的一种星系链架构。星系巨墙位置的星系团和超星系团汇聚成一条延伸十多亿光年的线,最近的巨墙离地球3亿光年远。巨墙之间平均相距离4亿光年,其间没有星系,称〝空洞〞-void,宇宙可能就是由一系列星系巨墙构成的。

此后,天文学家开始用“2度视场星系红移巡天绘制宇宙的三维地图(多光纤技术的新一代巡天计划),20027月,计划中的25万个星系已基本观测完毕,获取了22万余个星系的准确红移值;2000年之后,天文学家开始了斯隆数字巡天项目(斯隆数字巡天),记录了近二百万个天体的数据,包括80多万个星系和10多万个类星体的光谱数据。这些天体的位置和距离数据为研究宇宙的大尺度结构提供了重要依据。

由巡天观测得到的分布图与冷暗物质理论模型相一致,表明宇宙的确经历了一个先聚结成小结构,再由小结构聚集成大结构的过程(在红移24的阶段),也就是,大约90120亿年前星系形成;在红移小于1的时候,也就是大约60亿年前,星系聚集成星系团;现在,星系团正在聚集成超星系团。

天文学家们利用越来越先进的观测技术寻找暗物质的身影。2006年,宇宙演化巡天项目组(COSMOS)发布了暗物质的分布图。这次巡天分析了500多例哈勃太空望远镜拍摄的照片,每张照片反映的都是一前一后排成一条线的两个星系或星系团,根据强、弱引力透镜效应进行计算,从而估计前景天体和背景天体实际存在多少物质,两个数值之间的差就是暗物质。

可见物质与暗物质分布图(由哈勃太空望远镜提供)

左图为可见物质,右图为暗物质


​    纪实七


         2006
年,哈勃太空望远镜、钱德拉X射线天文卫星、拉斯坎帕拉斯天文台的麦哲伦望远镜都捕捉到了子弹星系团1E 0657-56。所谓子弹星系团,是指由两个相互碰撞的星系团形成的背景图像。通过利用X射线和引力透镜对这一碰撞的观测,亚利桑那大学的Douglas Clowe在当时将可见的气体和不可见的物质分离开。利用X射线观测到的可见气体大量集中在碰撞的中心(由于引力作用而集结),利用引力透镜检测出的不可见物质在碰撞的两侧都出现了(来自两个星系团的暗物质仿佛没有受到什么影响,能够互相穿过)。NASA为它们上了色,粉红色代表可见气体,蓝色代表不可见物质。这张照片成为暗物质存在的最著名的简洁证据。

                           子弹星系团1E 0657-56


​    粒子物理学的研究

20世纪70年代,粒子物理学在解决标准模型的一些问题中,假想了两种粒子:轴子(axion)和大质量弱相互作用粒子(weakly interactive massive particle,缩写WIMP)。这两种粒子成为暗物质的重要候选对象。

如果轴子存在,理论家们认为一个轴子的质量只有一个电子质量的一万亿分之一。到了80年代,他们意识到轴子虽然不能与物质配对,但能构与磁场发生相互作用,在足够强的磁场作用下,一个轴子能产生一个光子。为了检验轴子是否真的存在,现在正在进行轴子暗物质实验(ADMX),并建造了轴子探测器。

轴子探测器是一个强磁场的共振腔,如果有轴子进入腔内,就会在强磁场的作用下分裂成光子,轴子可以穿过腔壁,但光子不能,光子会被腔壁反弹,发射出一种微弱的微波信号。轴子探测器就是试图寻找到这种信号。由于这种信号极其微弱,世界上有不止一处的实验室在尝试轴子暗物质实验,期望捕获轴子存在的直接证据。

大质量弱相互作用粒子非常受物理学家欢迎,部分原因在于它非常适合有关大爆炸模型的描述。这种粒子之间不存在电磁相互作用,意味着无法通过电磁波找到它,也不会通过强核力相互作用找到。但是,它们会与原子核发生弱相互作用,从理论上讲,可以观测它们与某个原子核相碰撞产生弱相互作用的两个后续反应:一个是受激原子核产生的微小热量,一个是释放出电子电荷。

在如此微小的尺度上搜寻暗物质存在的独有标志,唯有借助于极高精度的物理实验。目前世界上正在进行或计划进行的三十多个暗物质实验项目中,绝大多数实验都致力于搜索大质量弱相互作用粒子。伯克利粒子天体物理中心在20世纪80年代末就开始了低温暗物质搜寻计划(CDMS),斯坦福大学也开展了类似的实验(可惜实验受到μ介子的干扰并不成功),意大利、加拿大、日本也有相关实验,它们都有一个共同的特点——利用低温保持靶标原子的稳定,探测器温度必须保持在绝对零度附近。在地下或大山掩体中可以遮挡宇宙射线和其他普通粒子的干扰。我国在四川雅砻江锦屏山的隧道内,也建造了一个这样的极深地下暗物质实验室,上方有2400米厚的岩石层,可将穿透力极强的宇宙射线隔绝到只有地面水平的大约亿分之一,使用的是我国自主设计的高纯锗探测器,用来测量暗物质粒子与锗晶体碰撞时产生的热。

20151217日,我国成功发射首颗暗物质粒子探测卫星悟空科学家们将通过高能量分辨和高空间分辨,观测高能电子和伽马射线能谱和空间分布,寻找和研究暗物质粒子;通过测量TeV(十亿电子伏特)以上的高能电子能谱,研究宇宙线起源;通过测量宇宙线重离子能谱,研究宇宙线传播和加速机制。悟空预计在轨工作三年,前两年主要是巡天观测,第三年根据观测结果进行定点扫描探测。其工作原理见中国暗物质粒子探测卫星首席科学家常进先生的详细解释暗物质粒子探测卫星的工作原理是什么

2013年普朗克团队公布的测量结果:宇宙诞生于之前的138.2亿年,宇宙中包含4.9%的普通物质,26.8%的暗物质,68.3%的暗能量。其次,暗能量不是某种粒子,你不能去探测它,甚至对它的特性人们还一无所知。

暗能量是否是一个常量,它不随时间和空间而改变?如果暗能量是不变的,那么随着宇宙的膨胀和物质密度的降低,引力的效应会越来越小,暗能量(具有反引力效应)对宇宙的影响就会越来越大,产生越来越大的膨胀加速度,宇宙就会沦落为大寒冷;如果暗能量不是常量,它会随着时间和空间而改变,那么它就可能是物理学中前所未知的某种特别的动力学场,而它随着时空的变化对宇宙会产生什么影响?又将是一个崭新的课题。

美国成立了一个暗物质专门委员会(The Dark Energy Task Force),2006年公布了推荐的研究暗能量的几种方法。包括通过Ia型超新星进行深入观测重子声学振荡(BAO),弱透镜效应,以及用南极望远镜进行的一系列观测。

1970年,普林斯顿的物理学家Jim Peebles已经注意到,在形成宇宙微波背景的过程中,宇宙学扰动(cosmological perturbations)会激发快速穿越本初气体的声学振荡(声波),形成相距43.6万光年的波峰。波峰之间的距离会随着宇宙的膨胀而膨胀加大,到今天的距离已经达到4.76亿光年。星系通常会在波峰上形成,通过测量不同年代的星系的分布,可以了解波峰随时间的变化,进而了解不同时间的宇宙膨胀变化。

2001年,南极天体物理研究中心的角尺度干涉仪Degree Angular Scale Interferometer)(主要观测宇宙微波背景的温度及其起伏)探测到了暴涨理论所预言的声波表征性分布模式,宇宙在婴儿时期的声音具有3个波峰。2002年,角尺度干涉仪又对偏振进行了观测。温度和波动可以告诉科学家宇宙物质的分布,偏振光子从物质中解耦出来时的方向——则会告诉科学家们物质运动的方向。如同阳光经湖面或路面反射后会发生偏振一样,宇宙微波背景辐射在穿行时会因被电子散射而出现偏振。根据预言,引力波会微小地改变这一偏振的模式。当这些涟漪在时空中传播时,它们会以一种独特的方式来使电子发生位移,由此在CMB中留下它们的印迹,已经观测到的结果基本符合预期,令人欣慰。南极望远镜也希望赢得收获。

一切都在继续,人们知道的越多,则感觉未知就越多。

理论学家们也提出了很多大胆的设想,例如,假如暴涨能够让一个量子宇宙鼓胀而存在,那它为什么不能让许多个这样的宇宙存在?按照量子理论,我们所在的宇宙有可能是全部10500个暴涨泡泡中的一个,每一个暴涨泡泡都形成一个自己的宇宙

编辑于 2017-02-01

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