3. 暗物质

3.1引言

当观测星空时，天文学家发现宇宙中的河系有不正常聚集的现象，而这种聚集程度远超过万有引力系数。参与这种万有引力的物质不与电磁波产生任何耦合，因此被命名为暗物质。

目前，暗物质粒子探测被认为是国际科学前沿竞争最为激烈的研究领域，全世界的科学家都在不遗余力地寻找暗物质及其隐藏的巨大科学宝藏。可到目前为止，人们找到的还都只是一些疑似证据。人类还没有找到它，也不知道其质量、性质，不能用物理学标准模型去解释。

宇宙中暗物质质量远大于可见物质(电磁波可直接探测物质)质量。暗物质无法用任何光学或电磁观测设备直接“看”到。由于暗物质之间以及暗物质与可见物质之间存在着引力作用，暗物质播下了宇宙丝状结构的种子，随后可见物质才聚集在一些由暗物质建立起来的引力点上，并最终形成了星系。科学界公认，揭开暗物质之谜将是继日心说、万有引力定律、相对论及量子力学之后的又一次重大飞跃，将带来物理学和天文学的又一次革命。

3.2 暗物质发现历程

1933年，加州理工大学的瑞士天文学家茨威基在研究星系团时发现了奇怪的现象：星系相对于星系团中心的运动速度似乎太快了。星系团是星系的集合体，可以包含数百个明亮的星系，这些星系由共同的引力场束缚。茨威基研究的星系团被称作“后发座星系团”，距离银河系3亿光年。茨威基的同事史密斯用当时世界上最好的望远镜收集了星系团中成员星系的速度。利用引力理论，天文学家可以通过星系的运动速度推断星系团的总质量，星系的运动速度越快，说明束缚它们的引力场越强大，也就意味着星系团的总质量越大。而茨威基通过星系速度推断出星系团质量显得太大了，要比星系的质量多出几百倍。茨威基很快将星系团中隐藏的物质命名为“暗物质”。但由于缺乏其它的独立观测证据，在之后的三十年里，暗物质的概念不时被人提起，却又没有人认真对待。

1960年后，一个证据来自临近宇宙中的漩涡星系。长缝光谱仪的发展使得天文学家可以一次拍摄河外星系不同区域的恒星轨道运动速度，也就是所谓的“星系旋转曲线”。与星系团中的星系运动同理，星系中恒星的轨道运动越快，意味着星系质量越大。美国卡内基研究所的鲁宾(Rubin)和福特(Ford)在此后的十年间系统地调查了近邻星系的旋转曲线。研究结果表明所有的旋臂星系外围的恒星似乎都转得太快了，如果星系主要的质量只来自可见物质，那么这些星系外围的恒星应该早已逃逸而去。这些近邻的漩涡星系中至少应该包含比可见物质多6倍的暗物质，才能解释观测的旋转曲线。

有人认为恒星远没有用尽宇宙中的氢氦元素，星系中可能存在大量这样的气体，不少人猜测也许它们的质量足以束缚星系外围的恒星，使得它们在星系中无法逃离出去。然而在20世纪70年代，星系团的观测有了新的进展。人们观测到星系团中的气体。这些气体的温度非常高，这使得它们可以发出X-ray辐射。通过X-ray卫星观测，人们就可以估计星系团中气体的质量，而这一质量惊人地达到了恒星质量的5倍。但这些新发现的气体并不能解释消失的质量。事实上，热气体的发现反而加剧了质量缺失问题，因为这些气体温度太高了，如果没有强大的引力势阱束缚，这些气体就会在很短的时间里从星系团中逃逸殆尽。而束缚这些气体所需要的物质量，又是这些热气体质量的10倍左右。

图3.1 数据合成的子弹星系团的图像

图3.1所示子弹星系团是宇宙中一大一小两个星系团相撞后留下的混合体(1E0657-558)。因为这个星系团就像一颗子弹从较大的星系中贯穿而过。不过，通常还是习惯将相撞后的两个星系共称为子弹星系团。通过分析子弹星系团产生的引力透镜效应，发现了暗物质存在的有力证据。该图综合利用了哈勃太空望远镜、钱德拉X射线天文台和大麦哲伦望远镜所收集的数据合成的子弹星系团图像。

图3.2合并的星系团

图3.2为一个合并的星系团，从引力信号中分离出一种不同的X射线气体，但这是意料之中的，因为这个星系团处于合并的不同阶段，而且仍然存在偏移。一组系统的观察和分析表明，可见物质团不足以解释观测到的效应。而且这一特征被大量的其它碰撞的星团所证明，并表现出同样的效果。

图3.3 四个相互碰撞的子弹星系团

图3.3为四个相互碰撞的子弹星系团，显示X射线和万有引力产生了分离，这表明存在暗物质。在适当的条件下，引力会表现出非局部的影响。

图3.4 团簇和星系团对其背后的光和物质产生引力作用

图3.4为由于微弱的引力透镜效应，团簇和星系团对其背后的光和物质产生弯曲作用。这使质量分布能够被重建，它应该与观测的物质相一致。如果有两个星系团碰撞后，大部分的物质都位于碰撞发生的中心区域，但是大部分的引力作用都集中在其它地方，这表明引力和质量的位置无法重合。事实上，星系群中所看到的可见物质位置与引力质量位置不一致。

图3.5 预测宇宙中暗物质的分布    图3.6恒星质量的组合

图3.5为预测宇宙中暗物质的分布。从哈勃太空望远镜观测到的背景星系的微弱扭曲现象中推断出暗物质的密度。图3.6为将哈勃太空望远镜与X射线卫星观测得到的星系内恒星质量进行组合，揭示出可见物质的等值图。这种现象的原因有两种解释，一种是引力作用于非局部，另一种是存在一些看不见的质量形式——暗物质。有一个简单的方法可以区分二者：可以观测没有在碰撞过程中的星系团，或者两个相互靠近却未合并的星系团。如果暗物质是正确的解释，引力透镜信号所追踪的物质分布应该是局部的。但如果非局部引力是答案，那么引力效应就应该在物质不存在的地方。

图3.7 星系群从引力透镜中重建的质量

图3.7为星系群从引力透镜中重建的质量，点为显示观测到的星系。当星系团静止时，没有物质与引力的分离。当星系团不受干扰时，引力效应就位于物质分布的地方。只有在碰撞或相互作用发生后，才会看到一个非局部的效应。这表明在碰撞过程中发生了一些事情，从看到的引力效应中分离出正常物质。非局部引力会使观察到的物质与引力不能同时匹配，采用暗物质才能合理解释这种现象。

星系团热气体的发现促使科学家严肃考虑暗物质粒子。这些不可见物质并不是原子、分子等可见物质所构成的可见物质，而是另一种不在标准模型中的基本粒子。这种暗物质不发光，但可以通过暗物质的引力效应观测到它。利用引力透镜效应可以绘制暗物质在宇宙中的分布。

3.3 暗物质分布

2016年4月，一个由多个研究所组成的研究小组，包括日本国立天文台和东京大学，根据最新获得的影像资料，在斯巴鲁望远镜上以新获得的影像资料，发布了一幅前所未有的宽而精确的暗物质分布图。暗物质分布由弱引力透镜技术确定(见图3.8)。研究小组找到暗物质光环的位置和透镜信号，有迹象表明光环的数量可能与最简单的宇宙模型所暗示的不一致。

图3.8 二维暗物质图

暗物质集中在稠密的团块中，可以识别大量的暗物质晕，图中显示的面积约为30平方度(这一次共观测到160平方度)。这只是最终计划分布图的11%，但这已经是空前的宽度。从未有过如此清晰的暗物质分布图覆盖如此广阔的区域。影像学观察是通过五个不同的滤色器进行的。通过将这些颜色数据结合起来，可以粗略地估计到微弱的背景星系的距离。与此同时，透镜在距离遥远星系和观测者之间的位置时，透镜效应最为显著。

图3.9暗物质晕的位置

图3.9为通过微弱的引力透镜技术探测到暗物质晕位置的Hyper Suprime-Cam图像，这个光环如此巨大，以至于一些背景星系围绕着光环的中心展开。利用这种分组的星系样本，利用层析成像方法重建暗物质分布，从而获得三维分布。

日本国立天文台的一个研究小组对美国夏威夷岛“昴”望远镜拍摄的星系团图像进行分析后确认，暗物质在星系团中呈扁平状分布。根据传统理论，在由约1000个星系组成的银河系里存在着大量暗物质，但是这些暗物质并没有均匀分布。基本上哪里有可见物质(星系)哪里就有暗物质。从小尺度上看，暗物质分布处处不同。暗物质是成团的，暗物质团被称作暗晕。星系形成在暗晕中。从极大尺度上看，宇宙不同地方的暗物质结构的统计性质几乎一样，是均匀各向同性的。

3.4 暗物质候选者

目前，粒子物理的标准模型里面不存在这么一种粒子符合暗物质的特征，如果暗物质是粒子，就只能从超出标准模型的物理理论里面去寻找，当然，这些理论都是没有经过验证的，只有实验才能对这些理论是否正确进行判断。目前，关于暗物质本质有种种假说，每一种都有其自己的合理性，有五种热门的暗物质候选者。

3.4.1 弱相互作用重粒子

弱相互作用重粒子(Weakly Interacting Massive Particles，简称WIMPs)是最热门的候选者。粒子只通过弱核力和引力产生相互作用，或者粒子的相互作用截面小于弱核力作用截面；与普通粒子相比质量较大。由于它们不参与电磁力作用，因此无法被直接探测到；由于它们不参与强核力作用，因此它们基本上与可见物质不发生相互作用；由于它们较大的质量，运动的速度相对缓慢，因而能够成团聚集。根据以上特点，WIMPs被认为是最有可能的“冷暗物质”候选者。现在很多实验正在寻找在理论上的WIMPs粒子，各个实验在地下的设备全都等着一颗“大质量弱相互作用粒子”撞击原子核并引起一次反弹的时刻到来。这样的实验必须在地下进行，以防止宇宙射线干扰结果。然而对WIMPs的探测却极其让人失望，迄今为止并没有探测到这种粒子的存在。

3.4.2 轴子

轴子是一种非常轻且运动也非常慢的粒子。它们本来是为了解释强相互作用中的电荷宇称守恒问题而提出的，但是如果它们的质量在某个区间内，就是非常好的暗物质候选者。它们和可见物质有微弱的相互作用。如果探测到这种奇异的闪光，有可能证实其存在。和WIMPs一样，轴子是可能在地球上进行探测的。轴子是超电子对撞后的一种“次级”粒子，也是在玻色子能级的“衍射+辐射”能量丢失“逃逸”极化的“斥力子”。轴子以一种能量轴线延“一维度时空”做线性跃迁角动量运动，轴子也可以理解为“磁单极粒子”的轨迹跃迁的物理测量观测。轴子的本征态强关联着暗物质粒子。轴子的推斥力单极特性决定了它只能做一维度线性方程的斥力运动，所以轴子的概念强关联着“磁单极粒子”、“中微子粒子”、“暗物质粒子”和“斥力子”的统称。轴子在大统一理论中起重要作用。轴子间通过极微小的力相互作用，轴子以一种极短的“极化短波”做推力。由此，它无法处于热平衡状态，因此不能很好的解释它在宇宙中的丰度。在宇宙中，轴子处于低温玻色子凝聚状态。目前，轴子探测器已经建造完成，探测工作正在进行。

3.4.3 晕族大质量致密天体

晕族大质量致密天体(MAssive Compact Halo Objects，简称 MACHOs)，又名大质量致密晕天体。MACHOs通过与其它天体的引力透镜作用就可以被间接探测到。20世纪80年代，普林斯顿大学的波兰天文学家帕琴斯基讨论了银河系晕中不发光的暗天体作为微引力透镜的可能性，认为它们有很高的几率被观测到。这些天体叫做MACHOs。1996年，美澳MACHO计划小组发现银河系晕的大部分含有MACHOs，有力证据来自对7个新的大质量晕天体的发现。并对大麦哲伦云引力透镜效应，来确定这些幽灵天体的性质。这些MACHOs的质量从0.1太阳质量到1个太阳质量不等。这些小组已排除了用MACHOs解释暗物质，大量的这类天体的质量在0.00000001个太阳质量到100个太阳质量之间。这表明MACHOs可能是白矮星或红矮星，或其它类似的天体。不过白矮星或红矮星并不是完全黑暗的，它们也能发一些很弱的光。据使用哈勃太空望远镜(HST)的近红外线照相机和多目标分光仪(NICMOS)观察，只有不到1%的银河系晕是由红矮星组成。只能对应暗物质晕的一个微不足道的小部分，所以失踪物质的问题仍然不能完全由MACHOs解决。

3.4.4 KK粒子

KK粒子(Kaluza-Klein)是由同名的物理理论所预言的一种粒子。在量子力学尚未完全建立的1921年，为了统一电磁力和引力，可普查引入了额外维的想法。在很多额外维模型中，平常的3+1维时空被称为膜，它被嵌入在3+δ+1维的被称为bulk的时空中。额外维被卷缩在很小的尺度而感受不到，甚至现在的高能物理实验也远不能探测到，但通过量子效应，额外维会对宇宙产生影响。在很多额外维模型中，标准模型粒子被束缚在膜上，只有引力子可以不受膜的束缚在bulk中传播。而在普遍的额外维模型(UED，universal extra dimensions)中如果额外维很小，所有的场都可以自由地在bulk中传播。

这种理论认为空间有额外的维度并且在每个时空点卷曲起来。KK粒子的质量大约是550到650个质子那么重，它们能够和可见物质发生引力和电磁相互作用，但是由于它们藏在卷曲的额外空间维度里面，所以在太空中看不到它。所幸的是，它能够衰变成所能观测到的粒子。但是现在的大型对撞机实验还没有找到这方面的迹象。

3.4.5 超引力子

超引力子又称引力微子，是费米子。超引力子目前还是一种假想粒子，不过各种各样的粒子撞击器仍在探寻超对称粒子，包括引力微子。这是广义相对论和尚未被实验验证的超对称理论所结合的一种产物。根据超对称理论，所有的已知粒子都有其超对称的对应粒子，其自旋相差1/2。超引力子是假设中的“引力子”的超对称伙伴。在某些超对称理论当中，超引力子是最轻的超对称粒子，可能是暗物质的候选者。

3.5 探测手段

目前世界上对暗物质的探测主要可分成直接，间接和加速器三个方面。直接探测放在很深的地下，以屏蔽干扰。间接探测可以在地面，也可以在太空。探测的对象是暗物质粒子与物质作用产生的信号，或是湮灭产生的次级粒子信号。

3.5.1 直接探测

如果银河系晕中含有WIMPs，那么地球表面每平方厘米在每一秒钟都会有数百乃至数千个WIMPs穿过，所以，探测这些WIMPs是暗物质存在最有说服力的证据。WIMPs在穿过地球时，有一定的概率与地球上的原子发生弹性碰撞，从而引起原子的反冲，地基试验可以探测这种反冲信号，进而确认WIMPs的存在。但是，因为WIMPs与可见物质的相互作用极弱，想要获得这种信号非常困难。

地基探测试验设备都被深埋在底下，从而可以最大程度地降低宇宙线等其它粒子与原子碰撞作用信号的干扰。当前主要的探测技术有两种：低温探测器，工作在100mK以下的探测器，探测WIMPs碰撞晶体如锗等时产生的热量；诺布尔液体(Nobleliquid)探测器，探测WIMPs碰撞液态氙或氩引起的闪光。

3.5.2 间接探测

如果WIMPs被宇宙天体俘获湮灭产生等次级粒子，这样可以通过连续谱的截断来寻找暗物质。间接法就是通过探测这些次级粒子来确认WIMPs的。一种有效的方法是通过探测在太空中湮没粒子所产生的单能峰或e能谱边缘来识别WIMPs。

3.5.3 加速器探测

在加速器上把普通粒子加速到高能，通过碰撞将暗物质粒子制造出来，并研究其物理特性。但是暗物质粒子即使被制造出来也不会被探测器发现，所以只能通过其他可见粒子的损耗能量来推断出是否有这样的粒子产生。

欧洲大型强子对撞机是目前世界上最大的强子对撞机，它的设计目标是将两个反向回旋的质子束流进行对撞，质子束流的总能量最高达14万亿电子伏特。借助对撞试验，有希望发现暗物质粒子的存在证据。但要在加速器上进行暗物质实验，需要很高的能量。至今所有的加速器实验还没有发现暗物质粒子的迹象。

3.6 小结

(1) 从极大尺度上看，宇宙不同地方的暗物质结构的统计性质几乎一样，是均匀各向同性的。从小尺度上看，暗物质分布处处不同。暗物质是成团的，隐藏在星系的暗晕中。

(2) 暗物质具有一定质量，且电中性。暗物质质量分布与可见物质分布相一致。暗物质具有粒子性，在宇宙中占绝大多数的物质含量。

(3) 暗物质不能被电磁波直接探测，但可以通过电磁波速度变化和弯折情况确定暗物质的分布。暗物质具有引力效应，其分布规律与引力场的分布规律基本相同，不同的可见物质与相同暗物质的引力效应可能是万有引力的源泉。

(4) 各种暗物质候选者均有一定的合理性，但都还仅仅是候选者。无论是直接探测还是间接探测，目前仍没有捕捉到暗物质。暗物质在宇宙中普遍存在，并远超过可见物质，然而仍无法被探测到，应该思考其原因并重新审视暗物质的构成。

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