"熊貓"地下織網、"悟空"上天巡視 科學家加緊探尋暗物質

哈勃空間望遠鏡和錢德拉X射線天文台拍攝的六幅星系團照片，科學家用它們來研究星系團碰撞時暗物質的行為（圖片來源：NASA官網） 

夜幕降臨時，滿天的繁星足以讓人們感嘆宇宙的浩瀚。而事實上，你所能看到的恆星以及所有星系可能不到宇宙質量的5%。而天文學的觀測表明，剩下的約95%是由看不見的暗物質和暗能量組成。

近日，國際合作項目“暗能量巡天”公布的最新研究結果進一步支持了前人結論——宇宙質量26%為暗物質，70%為暗能量。

盡管看不見摸不著，但為了捕捉到暗物質的身影，科學家們正在窮盡一切可能。

身披隱身衣，躲不過科學家火眼金睛

如同穿了隱身衣一般的暗物質，最早是如何暴露行蹤的呢？

荷蘭天文學家雅各布斯·卡普頓通過研究銀盤上恆星的垂直運動，推測應該有更多的物質存在，從而在1922年提出了“暗物質”的概念。之后又有更多的天文學家，包括詹姆士·金斯、簡·奧爾特等做了類似的研究，也得到了類似的結論。但受限於當時的認識問題，他們認為暗物質和通常的物質類似，只是看不到而已。

上世紀30年代初，美國加州理工大學的天體物理學家弗裡茨·茲威基首次在觀測中找到了暗物質存在的可能証據。他測量了后發座星系團中各個星系相對於星系團的運動速度，發現它們運動得太快，以至於僅靠星系團中可見星系提供的引力無法將它們束縛在一起。

“就好比是繩子上牽引著一個球，當球快速轉動時，能感覺到繩子越繃越緊，速度快到一定程度，會出現繩子斷裂，球飛出去的情況。” 中國科學院國家天文台研究員苟利軍打了個比方。

然而，星系並沒有因為運動速度太快而飛出星系團，星系團也沒有被撕裂。茲威基推斷，一定是該星系團中充滿了大量不可見的“物質”，它們的引力足夠強，可以把星系團束縛在一起。

更為大膽的是，茲威基認為這裡的物質是完全不同於通常物質的另外一種物質，並且起名為“暗物質”。

時間到了上世紀70年代，美國天文學家維拉·羅賓和肯特·福特在觀測仙女座星系中恆星旋轉速度時發現，當恆星到星系中心距離增加時，其旋轉速度並沒有下降，如果沒有暗物質產生的強大引力，高速旋轉的恆星勢必會跑到星系外。

魯賓和福特的觀測結果給出了那個時代有關暗物質的最強証據。隨著觀測技術的不斷進步，科學家們從更多的天文現象中，如星系團的強引力透鏡、微波背景輻射的功率譜中找到暗物質存在的証據。

盡管暗物質看不見，但因為它能產生足夠大的引力，所到之處多少會留下痕跡，科學家們試圖據此給它畫像：不發光、壽命長、作用弱等等。

在畫像的同時，科學家希望能探測到暗物質粒子的“真身”。“揭開暗物質微觀粒子本質是21世紀物理與天文學最重要的科學目標之一，根據目前的主流理論，暗物質很可能是一種超出粒子物理標准模型的‘弱相互作用重粒子’。” “熊貓計劃”（PandaX）暗物質實驗第二負責人、上海交通大學教授劉江來表示。

“熊貓”地下織網，捕捉暗物質真身

在尋找暗物質的過程中，各國科學家爭分奪秒。目前暗物質探測方式主要有三種：地下直接探測、空間間接探測和加速器實驗。

在中國錦屏地下實驗室開展的“熊貓計劃”採用的便是地下直接探測的方式，對暗物質與普通物質相互作用的信號進行直接探測。他們採用液氙技術，捕捉暗物質和氙原子發生碰撞的信號，一旦產生碰撞，氙原子會發光，同時也會產生自由電子。

選擇在深部地下進行探測，是為了盡量屏蔽宇宙射線的干擾。苟利軍表示，採用液氙技術探測暗物質粒子，好比是在大池子中捕魚，科學家們織就的“漁網”要盡可能的大，才能增加在較短時間裡捕到“魚”的概率。

“熊貓計劃”的競爭對手十分強勁。已經結束運行的美國LUX合作組在今年1月正式發表250公斤級探測儀過去四年運行的最終數據，超過了“熊貓計劃”在2016年7月發表的世界最靈敏探測結果。位於意大利的XENON1T是目前世界上正在運行的最大暗物質探測儀，探測區域的液氙達兩噸，該實驗合作組於今年5月公布了首個結果，其靈敏度又超越了LUX。

很快，這一紀錄再次被改寫。北京時間8月8日凌晨，“熊貓計劃”項目負責人、上海交通大學鴻文講席教授季向東在“2017年度國際高能粒子天體物理大會”上公布了該項目合作組最新實驗結果——在“54噸·天”的國際最大曝光量下，得到了暗物質與核子的碰撞截面應小於“6×10-47平方厘米”限制，再次刷新了對暗物質粒子性質限制的世界紀錄。

“這是對暗物質可能存在的參數空間做出的最強限制。”劉江來介紹。雖然暗物質還沒有被找到，但它的藏身范圍，已經縮小。

“6×10-47平方厘米”意味著什麼？劉江來解釋道，這一面積用來表示兩種粒子之間的碰撞概率，可以想見，這是一個非常小的數值，意味著碰撞概率極低。“目前探測儀還沒有探測到一例暗物質粒子碰撞事件，繼續提高探測靈敏度是下一步要做的。”

“悟空”上天巡視，尋覓暗物質痕跡

“熊貓計劃”緊密進行的同時，我國首顆暗物質粒子探測衛星“悟空”也正在太空中尋找暗物質的蛛絲馬跡。

“悟空”的英文名字是“DAMPE”。中國暗物質粒子探測衛星首席科學家常進在一次講座中說道，DAMPE是一個尋寶游戲中的關鍵人物，要找到寶貝，必須先找到它。“取名DAMPE，是希望它能領著我們找到暗物質粒子。”

根據目前的理論模型，暗物質粒子湮滅或相互作用后可能會產生高能光子，如果能夠精確測量這些光子的能譜，可能會發現暗物質粒子留下的“指紋”。空間間接探測，主要是對宇宙星系中暗物質的湮滅或微衰變產生的次級粒子進行探測。“悟空”之外，目前在進行空間探測試驗的，還有國際阿爾法磁譜儀、美國費米衛星等。

在分析空間探測的難點時，苟利軍指出，宇宙是一個巨大的粒子物理實驗室，時刻發生各種各樣的粒子發生湮滅衰變的信號，如何扣除背景信號得到有效信號，是需要解決的問題。

“悟空”工作軌道為高約500千米的晨昏太陽同步軌道，每天平均觀測500萬個高能粒子，每天回傳的數據量約16G，相當於一部高清電影的數據量。地面上100多人的科學家團隊在對數據開展分析研究。它的觀測能段范圍是國際阿爾法磁譜儀實驗的10倍，探測器能量分辨比國際同類探測器高3倍以上。

清華大學工程物理系副教授岳騫介紹，在“上天”“入地”之外，還可以通過加速器實驗探測暗物質。即通過人造加速器把標准模型粒子加速到很高能量后碰撞，通過測量碰撞反應中的丟失能量給出對於暗物質粒子質量和反應截面的限制。“這三種暗物質研究方法相互獨立、相互補充和相互檢驗”。（記者 唐婷）