王清扬 | 至暗之处

作者介绍：中国科学院大学理论物理学博士在读

不知大家有没有过朔夜出游的经历。远离了灯火通明的城市，夜空是那种深邃的黑。抬头望去，偌大的天穹除却几点疏星若隐若现，再没有任何光亮值得让我们的视线驻留。这不禁让人思考，人类的目光所及是否就是宇宙的全部？在深空的至暗之处会不会隐藏着一些我们看不到的事物？

故事要从上世纪二十年代开始说起。这一时期星系天文学刚刚兴起，人们开始认识到我们所在的银河系并不是宇宙的全部，在银河系之外还有众多其他的星系。一个星系通常包含几亿到几万亿颗恒星，然而我们谁都没有见过数亿恒星跃然于夜空中的壮阔场面，这是因为绝大多数恒星离我们非常遥远，它们发出的光传播至地球时已非常暗淡。实际上，夜空中肉眼可分辨的恒星最多只有六千颗，它们都在银河系内。对于银河系外的其他星系，它们整体看上去只是一片云状的亮斑，只有借助大口径的天文望远镜才能分辨出其中的一小部分恒星。

正如恒星会在引力的作用下聚集形成星系，星系之间也会在由于引力而结团形成更大的星系团结构。通过观察星系团中的各个星系的亮度和运动情况，人们可以推算出整个星系团的质量，这里主要有两种方法。第一种是根据星系团中星系的数量和整体发光情况去反推星系团的质量，这被称为“光度质量”。第二种是去测量星系团中大量星系的运动速度，根据速度的离散程度，可以通过引力理论去计算星系团的质量，由这种方法得到的质量被称为“动力学质量”。如果星系团中的大多数物质是发光的，那么这两种质量应当不相上下。然而在三十年代天文学家Zwicky和Smith却发现了一件不可思议的事：某些星系团的光度质量实际上远小于其动力学质量。这反映出了一个难以置信的事实：宇宙中发光的物质可能要远少于不发光的物质。是的你没看错，并不是这些物质发光太弱以至于无法被我们观测到，而是它们根本不发光！换句话说，这些物质不参与电磁相互作用，人们只能通过其庞大的引力效应去感受它们。

由于当时人们对物质的微观模型了解甚少，且对星系团系统的稳定性存在争议，所以没有对这些不可见的物质给予足够的重视。时间一晃到了七十年代，人们已经可以对部分星系中的恒星进行精确观测。此时，天文学家Rubin和Ford发现了另一件奇怪的事：仙女星系中大量恒星的运动速度太快，以至于理论上仅靠可见物质提供的引力无法将它们束缚在星系内。这种现象就好比快速转动一把撑开的雨伞，却无法将伞面上的雨滴甩出，这意味着它们可能正被一些看不到的东西所牵制。最终这一重要的观测结果使得不可见物质的问题再度登上历史舞台，并且在新的时期它们被赋予了一个充满神秘感的名字——暗物质。

在暗物质热度渐起的同时，粒子物理的标准模型大厦也已基本建立，人们对物质的微观性质拥有了相当的认识，已经知道轻子、夸克、规范玻色子等基本粒子组成了当前物质世界。在标准模型中有天然的暗物质——中微子，这种粒子不参与电磁相互作用且足够稳定，所以一开始很多人认为中微子可能是暗物质的主要组分。但后来的研究表明，标准模型中微子在宇宙中的占比不超过0.25%，远不足以展现出如此之大的引力效应。因此暗物质的主要组分不是中微子，而是某种在我们的标准理论之外的未知物质。

进入21世纪后，越来越多的观测证据坐实了宇宙中暗物质的存在。首先是引力透镜效应，这是被爱因斯坦的广义相对论预言的一种天文现象。在广义相对论中时空会被大质量天体所弯曲，光线在经过这些天体周围时路径会发生偏折，就像经过了一个透镜一样。由于星系团的质量非常大，所以它们的引力透镜效应足够强烈以至于可以被人们观察到。根据引力透镜效应的观测数据，人们可以反推出星系团的质量分布，从而确定其中暗物质的分布。下图是2006年对子弹星系团的观测结果，图中粉红色部分是由X射线信号反映出的发光物质的分布，蓝色部分则是由引力透镜效应反推出的总物质质量分布，可以看到二者是不重合的。这说明可见物质只占星系团总物质的一小部分，星系团的绝大部分质量是暗物质提供的。

暗物质的另一个重要观测证据来源于宇宙微波背景辐射（CMB）的测量。通俗地说，CMB就是宇宙大爆炸产生的光。138亿年前，宇宙从一场大爆炸中诞生，产生的光充满了整个宇宙。这些光经过上百亿年的演化遗留至今，其波长随宇宙膨胀被拉长至微波波段，最终形成了今天氤氲在整个宇宙中的微波背景。CMB的观测结果可以反映出早期宇宙的物理信息。相关研究表明，暗物质和普通物质一样都是在宇宙大爆炸时期诞生，但它自始至终都远多于普通物质，今天宇宙中暗物质的总量达到了普通物质的五倍之多！可见，普通物质与暗物质就像是一对被分开的孪生兄弟，虽然它们有着共同的起源，但属性却截然不同；虽然它们未曾谋面，但却可以感知到彼此的存在。

在天文观测工作如火如荼的同时，物理学家们也建立了各式各样的理论模型来解释暗物质的可能组成，小到比中微子还要轻的轴子，大到质量可与一个细胞相比拟的“哥斯拉”粒子，甚至还有原初黑洞这样奇特的天体。针对这些模型，全世界建设了许多实验室或实验装置来直接或间接捕捉暗物质，我国的锦屏地下实验室、“悟空”号暗物质粒子探测卫星就是其中之二。物理学家们可以根据这些实验装置的测量数据来建立或排除暗物质的理论模型，从而探索暗物质可能的物理本质。

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