[科普中國(guó)]-如何探測(cè)宇宙暗物質(zhì)與暗能量？

眾里尋他千百度。驀然回首，那人卻在，燈火闌珊處。

——辛棄疾《青玉案·元夕》

關(guān)于暗物質(zhì)和暗能量的研究由來(lái)已久，自19世紀(jì)末期20世紀(jì)初期“暗體”的概念提出至今，作為可能占宇宙絕大部分質(zhì)量的存在，我們又是如何對(duì)它們進(jìn)行探測(cè)的呢？

暗物質(zhì)和暗能量或占宇宙絕大部分質(zhì)量

**許多大尺度和精確的天文觀測(cè)表明，宇宙中存在大量的暗能量和暗物質(zhì)。**通過(guò)對(duì)比發(fā)光物質(zhì)、X射線示蹤和引力透鏡構(gòu)建的質(zhì)量分布，發(fā)現(xiàn)引力透鏡構(gòu)建的質(zhì)量分布與星系分布重合，遠(yuǎn)優(yōu)于前兩種情況。這就表明，宇宙中存在大量“看不見的”物質(zhì)。

遙遠(yuǎn)星系紅移現(xiàn)象的精確觀測(cè)表明宇宙膨脹過(guò)程的后半段是加速的。宇宙微波背景輻射(cosmic microwave background, CMB)的觀測(cè)表明宇宙是平坦的，這意味著宇宙整體的物質(zhì)密度近似等于宇宙大爆炸理論中提出的臨界密度。但是，把現(xiàn)有暗物質(zhì)和普通物質(zhì)的觀測(cè)總量加起來(lái)遠(yuǎn)不夠這個(gè)臨界密度，這就需要有額外的物質(zhì)即暗能量來(lái)貢獻(xiàn)額外質(zhì)量。

宇宙大尺度質(zhì)量密度的傅立葉譜也支持暗能量存在的假設(shè)。由歐洲空間局(European Space Agency, ESA)2009年發(fā)射升空的普朗克衛(wèi)星在2013年傳回的最新的各向異性的宇宙微波背景輻射圖以目前能達(dá)到的最高精度顯示，**整個(gè)宇宙的質(zhì)量能量成分為：4.9%的普通可見物質(zhì)，26.8%的暗物質(zhì)以及68.3%的暗能量。這意味著，暗物質(zhì)占物質(zhì)總量的84.5%，而暗能量和暗物質(zhì)加起來(lái)占整個(gè)質(zhì)量能量成分的95.1%。**也就是說(shuō)，對(duì)于占宇宙絕大部分質(zhì)量的暗物質(zhì)和暗能量，我們竟然毫無(wú)知覺！

圖4普朗克衛(wèi)星傳回的宇宙微波背景輻射圖

（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）

暗物質(zhì)的測(cè)量方法：直接測(cè)量與間接測(cè)量

由于暗物質(zhì)和暗能量的特殊性質(zhì)，導(dǎo)致它們非常難以探測(cè)，但是，再大的困難也擋不住科學(xué)家對(duì)于它們孜孜不倦的“追求”。

科學(xué)家通過(guò)加入強(qiáng)弱不同的相互作用模擬，最終得到暗物質(zhì)的一些基本屬性：不參與電磁和強(qiáng)作用；參與引力相互作用和弱相互作用；穩(wěn)定或長(zhǎng)壽命；非重子暗物質(zhì)為主；非重子中冷暗物質(zhì)為主。正因?yàn)槿绱?，我們?duì)于暗物質(zhì)才視而不見，苦苦求索而不得。然而，科學(xué)的探索從來(lái)都沒(méi)有一帆風(fēng)順，越是艱難才越能成就科學(xué)。暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量分為兩種：直接測(cè)量和間接測(cè)量。

直接實(shí)驗(yàn)測(cè)量的依據(jù)是，暗物質(zhì)由暗物質(zhì)粒子構(gòu)成，由于暗物質(zhì)數(shù)量龐大，必然有大量的暗物質(zhì)粒子到達(dá)地球，而暗物質(zhì)粒子與原子核會(huì)發(fā)生弱相互作用和引力相互作用，這樣，通過(guò)測(cè)量暗物質(zhì)粒子的散射信號(hào)，就能夠確認(rèn)暗物質(zhì)的存在。

間接實(shí)驗(yàn)測(cè)量，是基于暗物質(zhì)粒子的湮滅和衰變。

（1）暗物質(zhì)的直接測(cè)量：地下實(shí)驗(yàn)室

由于微觀粒子間的引力相互作用非常弱，所以，**直接測(cè)量實(shí)際上是測(cè)量由于弱相互作用發(fā)生的暗物質(zhì)粒子散射。**科學(xué)家用高靈敏度的、屏蔽的探測(cè)器探測(cè)聲子(Phonon)、帶電粒子(charge)和光(light)的散射信號(hào)，這需要扣除來(lái)自于原子和原子核內(nèi)部的強(qiáng)烈的散射背景。

直接探測(cè)的進(jìn)行都是在地下實(shí)驗(yàn)室，因?yàn)閹r石層對(duì)于宇宙射線的屏蔽給背景扣除帶來(lái)方便，地下實(shí)驗(yàn)室越深，對(duì)宇宙射線的屏蔽就越好，也越容易實(shí)現(xiàn)高靈敏度。

地下實(shí)驗(yàn)室主要分為兩種：一種是利用廢棄礦井；另外一種利用地下隧道。中國(guó)的地下實(shí)驗(yàn)室CJPL利用四川西昌地區(qū)錦屏山條件極好的地下隧道。隧道上方覆蓋2.5公里厚的變質(zhì)巖，是世界第二深的隧道，建成的實(shí)驗(yàn)室是世界上最深的地下實(shí)驗(yàn)室，而且變質(zhì)巖自身放射性相當(dāng)?shù)?，為暗物質(zhì)的直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)提供了非常好的條件。

到目前為止，世界上共有四個(gè)實(shí)驗(yàn)聲稱看到了暗物質(zhì)存在的疑似信號(hào)，分別為：DAMA、CRESST、GoGeNT和CDMS，或許暗物質(zhì)的直接探測(cè)已經(jīng)離我們不遠(yuǎn)。在中國(guó)的極深地下實(shí)驗(yàn)室有兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行暗物質(zhì)的直接測(cè)量，分別是清華大學(xué)主導(dǎo)的CDEX和上海交大主導(dǎo)的PANDAX。CDEX運(yùn)用高純鍺探測(cè)器，一期為1kg高純鍺，探測(cè)靈敏度為10-40；二期預(yù)計(jì)目標(biāo)為1噸高純鍺探測(cè)器陣列，探測(cè)靈敏度將高達(dá)10-46。PANDAX是利用惰性氣體氙作為探測(cè)物質(zhì)，最終目標(biāo)是建成噸量級(jí)液氙暗物質(zhì)探測(cè)裝置。

圖5各國(guó)地下實(shí)驗(yàn)室對(duì)比圖

（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）

（2）暗物質(zhì)的間接測(cè)量

**暗物質(zhì)的間接測(cè)量實(shí)驗(yàn)是在外太空尋找暗物質(zhì)粒子的自身湮滅和衰變產(chǎn)物。**在致密的暗物質(zhì)區(qū)域(例如銀河系中心)正反兩個(gè)暗物質(zhì)粒子對(duì)撞湮滅可以產(chǎn)生伽馬射線或者標(biāo)準(zhǔn)模型下的粒子對(duì)。另外，如果暗物質(zhì)粒子不穩(wěn)定，將會(huì)衰變產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)粒子或其他粒子。這些過(guò)程可以通過(guò)探測(cè)剩余伽馬射線或者反質(zhì)子或者正電子而被發(fā)現(xiàn)。

但是這個(gè)過(guò)程的難點(diǎn)在于，宇宙是一個(gè)巨大的粒子物理實(shí)驗(yàn)室，時(shí)刻發(fā)生各種各樣的粒子產(chǎn)生湮滅衰變的信號(hào)，如何扣除背景信號(hào)得到有效信號(hào)進(jìn)而得到確定的結(jié)論，是需要解決的問(wèn)題。在太陽(yáng)或者地球周圍，大量的暗物質(zhì)粒子與原子發(fā)生散射而損失能量，因此在這些天體的附近，會(huì)聚集大量的暗物質(zhì)粒子，暗物質(zhì)粒子發(fā)生碰撞或湮滅的概率也會(huì)加大。這些過(guò)程會(huì)以高能中微子的信號(hào)呈現(xiàn)出來(lái)，所以，利用空間衛(wèi)星探測(cè)高能中微子信號(hào)，將會(huì)是暗物質(zhì)存在的有力證據(jù)。

中國(guó)在2015年12月17日由長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭發(fā)射升空，將中國(guó)首顆暗物質(zhì)探測(cè)衛(wèi)星“悟空”送上500公里預(yù)定軌道。暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星(DArk Matter Particle Explorer)簡(jiǎn)稱DAMPE，悟空是它的昵稱，這一昵稱是在公開征集的32517個(gè)命名方案中脫穎而出的。悟空有兩層含義：一是領(lǐng)悟探索太空之意；二是與中國(guó)古典神話中孫悟空同名，借助悟空的“火眼金睛”來(lái)觀測(cè)宇宙。

悟空上搭載4大科學(xué)載荷：塑閃陣列探測(cè)器、硅陣列探測(cè)器、BGO量能器和中子探測(cè)器，是中國(guó)首個(gè)天文觀測(cè)衛(wèi)星，也是目前世界上觀測(cè)能譜最寬，能量分辨率最優(yōu)的空間探測(cè)器?！拔蚩铡毙l(wèi)星的預(yù)計(jì)在軌時(shí)間為3年，其中前2年主要進(jìn)行巡天觀測(cè)，最后1年根據(jù)前2年的觀測(cè)結(jié)果，再進(jìn)行定點(diǎn)掃描探測(cè)。

此外，大型對(duì)撞機(jī)上尋找暗物質(zhì)粒子也是一種方法。

圖6歐洲核子中心CERN的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC

（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）

暗能量的測(cè)量：暫且僅有其存在的證明

暗能量的測(cè)量比暗物質(zhì)更為艱難。因?yàn)槟壳皩?duì)暗能量的性質(zhì)除了其負(fù)壓特性幾乎沒(méi)有別的了解。因此，暗能量的測(cè)量還沒(méi)有直接的方法和證據(jù)，只能通過(guò)它所造成的宇宙加速膨脹和宇宙早期暴漲階段的驗(yàn)證來(lái)側(cè)面證明暗能量的存在。上面提到的發(fā)現(xiàn)的超新星爆發(fā)和宇宙微波背景輻射，都是證明暗能量存在的獨(dú)立證據(jù)。

在2017年5月，世界最大星系巡天eBOSS國(guó)際科學(xué)合作組通過(guò)美國(guó)新墨西哥州阿帕奇山頂天文臺(tái)的斯隆望遠(yuǎn)鏡，利用宇宙深處的類星體測(cè)量發(fā)現(xiàn)了顯著的**重子聲波振蕩信號(hào)，這是暗能量存在的又一獨(dú)立的證據(jù)，再次證實(shí)了宇宙的加速膨脹。**這一國(guó)際項(xiàng)目參與機(jī)構(gòu)之一為中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)，并且受到了中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和中國(guó)科學(xué)院的大力支持。

“中國(guó)天眼”：參與暗能量測(cè)量的新選手

此外，世界最大單口徑射電望遠(yuǎn)鏡——500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）——“中國(guó)天眼”于2016年9月25日落成啟用。天眼是中國(guó)國(guó)家科教領(lǐng)導(dǎo)小組審議確定的國(guó)家九大科技基礎(chǔ)設(shè)施之一，于1994年提出工程概念，歷經(jīng)可行性研究與初步設(shè)計(jì)，并于2011年3月破土動(dòng)工。

天眼采用中國(guó)科學(xué)家獨(dú)創(chuàng)的設(shè)計(jì)和貴州南部的獨(dú)特地形條件，面積約為30個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)大小，擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。作為世界最大的單口徑望遠(yuǎn)鏡，F(xiàn)AST將在未來(lái)20～30年保持世界一流設(shè)備的地位。FAST將承擔(dān)眾多科學(xué)觀測(cè)，如暗物質(zhì)、暗能量、黑洞甚至搜尋可能的星外文明。其中，在FAST上進(jìn)行的“天籟計(jì)劃”，就是由中國(guó)科學(xué)家自主制定的探測(cè)暗能量的大型科學(xué)計(jì)劃。

圖7 宇宙三維圖像切片圖 觀測(cè)者到星系和類星體的距離以回溯時(shí)間標(biāo)注

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圖8 位于美國(guó)阿帕奇天文臺(tái)的斯隆望遠(yuǎn)鏡

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圖9 位于中國(guó)貴州的FAST射電望遠(yuǎn)鏡

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二十世紀(jì)物理學(xué)天空上兩朵烏云“黑體輻射”和“以太”成就了量子力學(xué)和相對(duì)論。量子力學(xué)和相對(duì)論成為現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基石，那么二十一世紀(jì)物理學(xué)天空上的兩朵烏云“暗物質(zhì)”和“暗能量”呢？會(huì)不會(huì)有更大的風(fēng)暴將要席卷整個(gè)物理學(xué)界，我們拭目以待！