捕捉宇宙“黑势力”——暗物质与暗能量探测

出品:科普中国

制作:缪子文化 崔二亮

监制:中国科学院计算机网络信息中心

众里寻他千百度。蓦然回首,那人却在,灯火阑珊处。

——辛弃疾《青玉案·元夕》

关于暗物质和暗能量的研究由来已久,自19世纪末期20世纪初期“暗体”的概念提出至今,作为可能占宇宙绝大部分质量的存在,我们又是如何对它们进行探测的呢?

暗物质和暗能量或占宇宙绝大部分质量

许多大尺度和精确的天文观测表明,宇宙中存在大量的暗能量和暗物质。通过对比发光物质、X射线示踪和引力透镜构建的质量分布,发现引力透镜构建的质量分布与星系分布重合,远优于前两种情况。这就表明,宇宙中存在大量“看不见的”物质。

遥远星系红移现象的精确观测表明宇宙膨胀过程的后半段是加速的。宇宙微波背景辐射(cosmic microwave background, CMB)的观测表明宇宙是平坦的,这意味着宇宙整体的物质密度近似等于宇宙大爆炸理论中提出的临界密度。但是,把现有暗物质和普通物质的观测总量加起来远不够这个临界密度,这就需要有额外的物质即暗能量来贡献额外质量。

宇宙大尺度质量密度的傅立叶谱也支持暗能量存在的假设。由欧洲空间局(European Space Agency, ESA)2009年发射升空的普朗克卫星在2013年传回的最新的各向异性的宇宙微波背景辐射图以目前能达到的最高精度显示,整个宇宙的质量能量成分为:4.9%的普通可见物质,26.8%的暗物质以及68.3%的暗能量。这意味着,暗物质占物质总量的84.5%,而暗能量和暗物质加起来占整个质量能量成分的95.1%。也就是说,对于占宇宙绝大部分质量的暗物质和暗能量,我们竟然毫无知觉!

捕捉宇宙“黑势力”——暗物质与暗能量探测

普朗克卫星传回的宇宙微波背景辐射图

暗物质的测量方法:直接测量与间接测量

由于暗物质和暗能量的特殊性质,导致它们非常难以探测,但是,再大的困难也挡不住科学家对于它们孜孜不倦的“追求”。

科学家通过加入强弱不同的相互作用模拟,最终得到暗物质的一些基本属性:不参与电磁和强作用;参与引力相互作用和弱相互作用;稳定或长寿命;非重子暗物质为主;非重子中冷暗物质为主。正因为如此,我们对于暗物质才视而不见,苦苦求索而不得。然而,科学的探索从来都没有一帆风顺,越是艰难才越能成就科学。暗物质的实验测量分为两种:直接测量和间接测量。

直接实验测量的依据是,暗物质由暗物质粒子构成,由于暗物质数量庞大,必然有大量的暗物质粒子到达地球,而暗物质粒子与原子核会发生弱相互作用和引力相互作用,这样,通过测量暗物质粒子的散射信号,就能够确认暗物质的存在。

间接实验测量,是基于暗物质粒子的湮灭和衰变。

(1)暗物质的直接测量:地下实验室

由于微观粒子间的引力相互作用非常弱,所以,直接测量实际上是测量由于弱相互作用发生的暗物质粒子散射。科学家用高灵敏度的、屏蔽的探测器探测声子(Phonon)、带电粒子(charge)和光(light)的散射信号,这需要扣除来自于原子和原子核内部的强烈的散射背景。

直接探测的进行都是在地下实验室,因为岩石层对于宇宙射线的屏蔽给背景扣除带来方便,地下实验室越深,对宇宙射线的屏蔽就越好,也越容易实现高灵敏度。

地下实验室主要分为两种:一种是利用废弃矿井;另外一种利用地下隧道。中国的地下实验室CJPL利用四川西昌地区锦屏山条件极好的地下隧道。隧道上方覆盖2.5公里厚的变质岩,是世界第二深的隧道,建成的实验室是世界上最深的地下实验室,而且变质岩自身放射性相当低,为暗物质的直接探测实验提供了非常好的条件。

到目前为止,世界上共有四个实验声称看到了暗物质存在的疑似信号,分别为:DAMA、CRESST、GoGeNT和CDMS,或许暗物质的直接探测已经离我们不远。在中国的极深地下实验室有两个实验组进行暗物质的直接测量,分别是清华大学主导的CDEX和上海交大主导的PANDAX。CDEX运用高纯锗探测器,一期为1kg高纯锗,探测灵敏度为10-40;二期预计目标为1吨高纯锗探测器阵列,探测灵敏度将高达10-46。PANDAX是利用惰性气体氙作为探测物质,最终目标是建成吨量级液氙暗物质探测装置。

捕捉宇宙“黑势力”——暗物质与暗能量探测

各国地下实验室对比图

(2)暗物质的间接测量

暗物质的间接测量实验是在外太空寻找暗物质粒子的自身湮灭和衰变产物。在致密的暗物质区域(例如银河系中心)正反两个暗物质粒子对撞湮灭可以产生伽马射线或者标准模型下的粒子对。另外,如果暗物质粒子不稳定,将会衰变产生标准粒子或其他粒子。这些过程可以通过探测剩余伽马射线或者反质子或者正电子而被发现。

但是这个过程的难点在于,宇宙是一个巨大的粒子物理实验室,时刻发生各种各样的粒子产生湮灭衰变的信号,如何扣除背景信号得到有效信号进而得到确定的结论,是需要解决的问题。在太阳或者地球周围,大量的暗物质粒子与原子发生散射而损失能量,因此在这些天体的附近,会聚集大量的暗物质粒子,暗物质粒子发生碰撞或湮灭的概率也会加大。这些过程会以高能中微子的信号呈现出来,所以,利用空间卫星探测高能中微子信号,将会是暗物质存在的有力证据。

中国在2015年12月17日由长征二号丁运载火箭发射升空,将中国首颗暗物质探测卫星“悟空”送上500公里预定轨道。暗物质粒子探测卫星(DArk Matter Particle Explorer)简称DAMPE,悟空是它的昵称,这一昵称是在公开征集的32517个命名方案中脱颖而出的。悟空有两层含义:一是领悟探索太空之意;二是与中国古典神话中孙悟空同名,借助悟空的“火眼金睛”来观测宇宙。

悟空上搭载4大科学载荷:塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量能器和中子探测器,是中国首个天文观测卫星,也是目前世界上观测能谱最宽,能量分辨率最优的空间探测器。“悟空”卫星的预计在轨时间为3年,其中前2年主要进行巡天观测,最后1年根据前2年的观测结果,再进行定点扫描探测。

此外,大型对撞机上寻找暗物质粒子也是一种方法。

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欧洲核子中心CERN的大型强子对撞机LHC

暗能量的测量:暂且仅有其存在的证明

暗能量的测量比暗物质更为艰难。因为目前对暗能量的性质除了其负压特性几乎没有别的了解。因此,暗能量的测量还没有直接的方法和证据,只能通过它所造成的宇宙加速膨胀和宇宙早期暴涨阶段的验证来侧面证明暗能量的存在。上面提到的发现的超新星爆发和宇宙微波背景辐射,都是证明暗能量存在的独立证据。

在2017年5月,世界最大星系巡天eBOSS国际科学合作组通过美国新墨西哥州阿帕奇山顶天文台的斯隆望远镜,利用宇宙深处的类星体测量发现了显著的重子声波振荡信号,这是暗能量存在的又一独立的证据,再次证实了宇宙的加速膨胀。这一国际项目参与机构之一为中国科学院国家天文台,并且受到了中国国家自然科学基金委员会和中国科学院的大力支持。

“中国天眼”:参与暗能量测量的新选手

此外,世界最大单口径射电望远镜——500米口径球面射电望远镜(FAST)——“中国天眼”于2016年9月25日落成启用。天眼是中国国家科教领导小组审议确定的国家九大科技基础设施之一,于1994年提出工程概念,历经可行性研究与初步设计,并于2011年3月破土动工。

天眼采用中国科学家独创的设计和贵州南部的独特地形条件,面积约为30个标准足球场大小,拥有完全自主知识产权。作为世界最大的单口径望远镜,FAST将在未来20~30年保持世界一流设备的地位。FAST将承担众多科学观测,如暗物质、暗能量、黑洞甚至搜寻可能的星外文明。其中,在FAST上进行的“天籁计划”,就是由中国科学家自主制定的探测暗能量的大型科学计划。

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宇宙三维图像切片图 观测者到星系和类星体的距离以回溯时间标注

捕捉宇宙“黑势力”——暗物质与暗能量探测

位于美国阿帕奇天文台的斯隆望远镜

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位于中国贵州的FAST射电望远镜

二十世纪物理学天空上两朵乌云“黑体辐射”和“以太”成就了量子力学和相对论。量子力学和相对论成为现代物理学的两大基石,那么二十一世纪物理学天空上的两朵乌云“暗物质”和“暗能量”呢?会不会有更大的风暴将要席卷整个物理学界,我们拭目以待!

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老彭,远东文化研究学者,远东网联合创始人,哈尔滨露西亚文化沙龙创始人。哈尔滨俄侨瓦莉娅的学生,大话哈尔滨后援团成员。微信:ALKXYF1963

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