每 周
科 普
宇宙的幕后黑手——暗物质
北京 刘亚英 何龙 清华大学附属中学
2017年11月27日上午，中国科学院在京发布了中国首颗暗物质粒子探测卫星 DAMPE( dark matter particle explorer)“悟空”在轨运行530天后，取得的重大突破这一发布又引起了人们对暗物质的讨论。
暗物质是现代天文学和物理学的一大谜团，世界上有很多科学团队都在试图找到它。中国也于2015年12月17日发射首颗暗物质粒子探测卫星“悟空”，希望借着“悟空”的火眼金睛，找到暗物质这个“妖魔鬼怪”。那么暗物质到底是什么？由什么组成？它为什么那么重要，以至于各国科学家们，利用各种先进仪器，在地下深处或是太空中夜以继日地追寻着它的踪迹呢？
天文学家们从20世纪30年代开始意识到宇宙总存在着看不见的暗物质。1933年，瑞士的天文学家弗里兹威基（Fritz Zwicky）对距离地球3.2亿光年、由超过3000个星系的运动速度进行分析，因为速度与引力有关，所以可以间接估计出星系团的质量，用这个方法得到质量称为“力学质量”，另一种方法是通过星系团内星系的亮度来估计质量，因为恒星质量越大就越亮，这样得到的质量称为“光度质量”。按说力学质量和光度质量应该相近，然而实际得到的结果是，力学质量比光度质量高了400倍左右!也就是说，力学质量里的绝大部分是我们看不到(不发光)的物质。如果没有这部分“看不见的物质”的作用，那么这个星系团的引力就不足以将其中的星系像现在这样束缚在一起。天文学家们还发现，在每一个星系的周围都存在着一团巨大的云状物，我们无法直接看到这团云，只能通过它对星体的引力和它使光发生偏折的现象才能间接发现它。科学家们提出了很多假设，却没有一个说得通，很明显有东西在那儿，但它具体是什么，我们无从知晓。20世纪80年代，科学家正式提出了“暗物质”这个名称。普朗克望远镜显示，我们的宇宙仅包含有4.9%的普通物质，26.8%的暗物质，剩余的68.3%被认为是暗能量。从某种意义上讲，暗物质统治了整个宇宙。但对于暗物质到底是什么，由什么组成，科学家们虽然已经排除了行星、中子星、黑洞等暗天体，但具体是什么现在还不清楚，科学界还在继续研究中。
暗物质的所谓“看不见”，不单单是说用我们的肉眼在可见光波段看不见，而是说无论探测什么波段的电磁波，比如红外线、紫外线、Ⅹ射线、伽马射线等,都看不到它，也就是说，暗物质不发出任何波段的光。
既然暗物质无法看见，同时也不发出任何波段的光，那么我们到底如何寻找暗物质呢？目前主要有两种方式：第一种方式是直接探测，即只能从它与其他物质偶然发生的碰撞所产生的蛛丝马迹，来捕捉它的身影。许多理论家认为，暗物质很有可能有弱相互作用，因为弱相互作用，暗物质和普通物质有极小概率会发生碰撞并发出信号，所以最直接的方法就是捕捉暗物质与普通粒子碰撞发出的信号极其微弱，想要听到这样的信号，必须在一个非常安静的地方。就好比不在闹市区听音乐，我们则要逃到地底下去，越往下干扰越少，每往地下延伸1000m，宇宙射线的干扰就减少为原来的十分之一。科学家就在地下挖一大坑，将精密仪器放在坑底探测。
目前，世界上岩石覆盖最深的实验室就是中国四川锦屏地下实验室。锦屏地下实验室就藏身于隧道中部，垂直岩石覆盖达2400m。在川藏群山下，粒子物理学家最头痛的宇宙射线的强度仅为意大利中部格兰萨索山区实验室的1/200，为实验提供了“干净”的环境。
第二种方式是空间间接探测暗物质本身不可见，但它可能会湮灭或衰变，该过程产生的伽马射线、字宙射线、中微子等粒子是可见的，通过探测这些可见的粒子，去间接推测或探测暗物质粒子，所以探测暗物质可以利用空间卫星间接探测。在太空中高精度测量伽玛射线、宇宙射线的能谱以及空间分布，以此来间接寻找暗物质粒子存在的证据。
目前，人类共发射了四颗暗物质探测卫星，分别是阿尔法磁谱仪AMS-02( the Alpha Magneti Spectrometer)、美国费米卫星 Fermi-LAT( the Large Area Telescope on the Fermi gamma-ray Satellite)日本的 CALET卫星( Calorimetric Electro Telescope)以及中国的“悟空”。
据我国暗物质卫星首席科学家、紫金山天文台副台长常进介绍，“悟空”运行期间，每秒会捕捉、探测到60个高能粒子，平均每天就有500万个高能粒子.而“悟空”能够观测的是能量区间为10亿电子伏特~10万亿电子伏特的电子和伽马射线。“悟空”之所以被寄予厚望，主要是因为相较于已有的三颗卫星(探测器)，它的本领更“高强”。之所以称其本领高强，是因为“悟空”在“高能电子、伽马射线的能量测量准确度”以及“区分不同种类粒子的本领”这两项关键技术指标方面都处于世界领先地位，尤其适合寻找暗物质粒子湮灭过程产的一些非常尖锐的能谱(电子数目随能量的变化情况)信号。
很多人可能会问，找暗物质到底有什么用？中科院院士、上海交通大学天文与天体物理中心主任景益鹏院士对这个问题的回答是：“简单地说，就是根据现在的各种物理学理论，我们需要暗物质。宇宙137亿年的演化，暗物质起了决定性的作用。如果没有暗物质的存在，现在的整个银河系、太阳系就不是目前的样子。一百年前出现相对论、量子力学，所有人都认为没有用，但一百年后的今天，你手机里所有的芯片、电脑、互联网的发明都源于一百年前的理论。也许一百年后你的生活从早到晚全是暗物质。”
物理期待中国的首颗暗物质粒子探测卫星能带给我们更多的发现。
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