暗物质

2013-06-02

美国航天局2013年1月24日宣布,将参与欧洲航天局的欧几里德项目,双方将携手探索宇宙中神秘的暗物质和暗能量。欧几里德太空望远镜将于2020年升空,随后在6年内绘制宇宙中约20亿个星系的分布图,揭示宇宙间暗物质、暗能量的真。欧几里德望远镜项目大约耗资8.1亿美元。图为“欧几里德”暗能量望远镜的艺术想象图。
丁肇中(资料图片)
丁肇中
将再获诺奖?
“去年,人类发现了一种几乎可以肯定是希格斯玻色子的新粒子;今年,暗物质的存在证据又出现了!”丁肇中研究团队的重大发现一经传出,立即引来网友对物理学界的拍案惊奇。但更多的是赞叹:“如果科技是魔法,那丁老师的兴趣显然都用来钻研黑暗魔法了。”“人类又一次打开了潘多拉魔盒。”还有网友发出诺奖之问:“丁肇中会第二次获得诺奖么?”
人物档案
丁肇中
丁肇中1936年1月27日出生于美国,祖籍中国山东省日照市涛雒,现任美国麻省理工学院教授,是美国科学院院士,曾获1976年诺贝尔物理学奖。他研究方向是高能实验粒子物理学,曾发现一种新的基本粒子,并以物理文献中习惯用来表示电磁流的拉丁字母“J”将那种新粒子命名为“J粒子”。
核心提示
宇宙中存在着这样一种“看不见的统治者”,它的名字叫暗物质,它对于恒星、星系等天体的诞生起着重要的作用。尽管地球上找不到,元素周期表里也没有,但全世界的科学家们都对“暗物质”充满了兴趣,全球有几十个研究小组在寻找。2月18日,在美国波士顿结束的美国科学促进会(AAAS)年会上,美国麻省理工物理学家丁肇中领导的研究团队对外宣布,他们的阿尔法磁谱仪(AMS)发现了弱相互作用大质量粒子(WIMP)存在的证据,6个科研小组达成了一致意见,都赞同是探测到WIMP,而WIMP就是一种暗物质的候选体。丁肇中称,将于未来几周发表涉及暗物质的研究论文,对这项研究的进展作详细阐述。
最新进展
丁肇中团队等待18年的论文
或揭8大宇宙未解之谜之一
美国《科学》杂志2012年选出8大宇宙未解之谜,其中就包括神秘的暗物质。2003年,美国国家航空航天局宣布,根据威尔金森微波各向异性探测器的观测数据,发现了暗物质存在的直接证据,并估算出宇宙由73%的暗能量,23%的暗物质和4%我们已知的物质组成,可以说4%以外的部分大都属于未知。
中科院理论物理研究所研究员李淼表示,根据现在丁肇中透露的消息,只能说探测到暗物质湮灭的信号的可能性比较大,但他没有说这些信号来自暗物质还是脉冲星,“如果丁肇中团队的发现被确认,这肯定是这几十年来的重要科学发现。”如果此次暗物质的发现能够得到确认,那么人类对于宇宙的认知无疑向前迈进了一大步。
史上最贵实验
2011年5月,美国奋进号航天飞机执行了最后一次太空任务,它将价值20亿美元的阿尔法磁谱仪(AMS)送往国际空间站,用于探测宇宙射线及高能粒子。这也被称为史上最昂贵的一次实验。阿尔法磁谱仪重达7吨,拥有一个巨大的特制超导磁铁,能使落在它上面的粒子轨迹发生弯曲。丁肇中称,在阿尔法磁谱仪运行的最初18个月中,已经探测了250亿次粒子事件。
阿尔法磁谱仪项目便是由丁肇中在1990年代中期提议开始的。“我们等待了18年来写这篇论文,如今到了最后确认阶段,”丁教授在波士顿的一次美国科学促进会(AAAS)的年会上发言道,“我预计在未来两到三周内,我们就能发布研究成果。我们一共有6个分析小组对相同的数据结果进行分析。如你所知,每个物理学家都有他们自己的见解,我们现在要保证每个人都能同意彼此的观点。这项工作现在已经完成得差不多了。”
新物理大发现处前夜
目前,全世界的物理学家都在等待丁肇中团队的这第一篇文章。丁肇中委托他所在的麻省理工学院同事向《北京晚报》记者发来邮件表示,研究进展很好,但此前媒体的报道不完全正确。丁肇中在接受采访时曾表示,这篇论文绝非一篇次要的文章,它是朝着人类认识暗物质方向前进的“一小步”,但不是最终答案。他还曾透露,这篇论文已经进行了30次修正,以使所有参与这项研究的科学家都认可。
另外,与丁肇中长期在暗物质探索领域合作的知名理论物理学家李世昌表示,这一成果是“第一步的显著的进展”,但尚无法用“发现暗物质”来描述。不过李世昌说,人类很有可能正处在一个新的物理大发现的前夜。
暗物质模型(资料图片)
一问一答
暗物质是何物?
粘合宇宙万物的“胶水”
20世纪30年代,瑞士天文学家弗里兹·茨威基研究了距离我们约两亿光年的COMA星系团,他先测量了星系团中各个星系的亮度,通过已知的亮度和质量的关系,得出了可以看见的星系团质量。接下来,他又测量了各个星系的公转速度以及它们到星系团中心的距离,通过万有引力定律计算出了星系团的总质量。他发表了一个惊人结果:在星系团中,看得见的星系只占总质量的1/300以下,而99%以上的质量是看不见的,只能通过引力“感觉”到它们的存在。
在宇宙的天体之间,引力的作用并不能解释天文学家看到的一切,如果只有这些天体的引力,那各个星系应该处于分崩离析的状态,因此在各个星系之间,还存在把它们联接在一起的物质。天体物理学家将这种理论中的物质称为“暗物质”,暗物质无法通过电磁波的观测进行研究,也就是不与电磁力产生作用的物质。我们看不见它们,但它们确实在星系间起着作用。目前的理论估计,宇宙的73%为暗能量,23%为暗物质,而只有4%是我们已知的物质。暗物质被描述为将宇宙万物粘合在一起的“胶水”。有趣的是,爱因斯坦曾提出暗物质这个概念,又被他否定了。
找它意义何在?
改变宇宙构成认识
如果丁肇中团队这次确实发现了暗物质,其意义何在?中科院理论物理研究所研究员李淼认为,暗物质的发现将改变人们对宇宙构成的认识。
暗物质的发现对于天文学家来说也有特殊意义,它解决了一个多年的谜题。李淼表示,通过万有引力定律很难解释一些物理现象,太阳系或者银河系为何能维持现在的状态,光靠可见物质的引力是无法解释的,但在暗物质的假设模型里就可以解释。如果最后发现暗物质不存在,这意味着关于引力的理解在大尺度上是错误的,这对于很多天文学家来说是不可想象的。
至于探测到暗物质之后能派上什么用场,这对科研人员来说仍是未知数。“粒子物理探求的是物质最深层次的奥秘,对未来的生活会发生怎样的影响,我们现在还不得而知。就像电被发明时,人们尚无法想象后来的电视、电脑。但无论如何,每一个科学发现都使人们对物质世界的认识更进一步,这是最了不起的事。”专家介绍说。
中国行动
建最深地下实验室
探测卫星正在研制
中国东南大学等也参与了丁肇中团队阿尔法磁谱仪(AMS)项目的研究。而对于寻找暗物质,中国也在行动,除了在四川建设“世界最深实验室”暗物质探测装置,还启动了航天发展计划研制发射硬X射线调制望远镜卫星、“实践九号”新技术试验卫星和返回式卫星,启动实施量子科学实验卫星和暗物质探测卫星等项目。
据东大计算机科学与工程学院院长罗军舟介绍说,东南大学是国内第一所参加AMS实验的高等院校,在AMS项目中主要承担了3项任务建立磁谱仪实验系统、反物质探测系统和地面数据处理系统。另据中科院高能物理所研究员陈国明介绍,包括他在内的高能物理所部分科研人员参与了AMS项目。陈国明表示,论文的确即将发表,而中国科学家对AMS数据的分析起到关键作用,“未来10年,暗物质研究很可能出成果”。
据张新民介绍,国内不少项目都着眼于侦测暗物质,比如设在四川锦屏的“岩石下最深实验室”。2010年12月,中国锦屏极深地下暗物质实验室正式挂牌,该地下实验室深达2400米,有一个40米长、6.5米宽、8.5米高的实验大厅,是目前世界上条件最好的地下实验室,世界最深、上方有2.5公里岩层覆盖使宇宙射线通量最少等条件,都为暗物质直接探测实验提供了非常好的条件。2月16日,上海交大校长张杰透露,在四川锦屏地下实验室,液氙暗物质探测装置将很快开始建设,预计今年下半年可建成并投入运行。而清华大学牵头的另一个中国暗物质探测项目CDEX项目也在这一实验室进行,不同的是,CDEX项目是利用高纯锗探测器探测暗物质。
中科院紫金山天文台的专家们也一直在寻找暗物质湮灭的证据。为进一步捕获暗物质湮灭证据,2015年,紫金山天文台将发射天文卫星去寻找。中科院紫金山天文台专家说,目前,我国的暗物质粒子探测卫星的研制正在紧密进行中。
中国团队的加入,显然使世界上暗物质的研究者受到了很大的鼓舞。据介绍,在此前,世界上最好的地下实验室是位于意大利的GRANSASSO地下实验室,在那里进行的XENON100实验,由意大利、美国、日本等国际团队共同加入,上海交通大学也是参加实验的单位之一。
安装于国际空间站上的阿尔法磁谱仪
作者:资料图
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