20世纪70年代,科学家提出,宇宙中如果只有“可见物质”的话,那么从宇宙诞生至今的这段时间里,就来不及形成现在所观测到的宇宙中的某些结构。1985年,英国苏塞克斯大学的卡洛斯?弗伦克(Carlos Frenk)团队提出,暗物质对于宇宙中恒星和星系等小结构的产生起到了重要的作用:首先,由于偶然性,有些地方的暗物质会聚集得多一些,所以引力更强,暗物质就更易积聚,密度渐渐变大;接下来,由原子组成的物质(气体)也被引力拉过去,很快进一步坍缩,生成恒星和星系等结构;然后,一些星系进一步汇集,形成星系团。就这样,在暗物质的作用下,从星系到星系团,一步步形成了宇宙中的大尺度结构。 但是上述方案的成立是有条件的,就是暗物质必须是很“冷”的,这意味着它们是由低速的粒子构成的。计算显示,如果运动的速度太大,粒子弥散的范围太广,星系这样的小尺度结构就难以形成了。而中微子是以接近光速运动的“热”粒子,加上它的质量也太小,因此也被从暗物质的候选者中排除了。 子弹星系团
这是NASA的哈勃太空望远镜与钱德拉X射线天文卫星、拉斯坎帕拉斯天文台的麦哲伦望远镜捕捉到的子弹星系团(1E0657-556)的合成图。在子弹星系团内,两个星系团以每秒4500千米的速度相互碰撞。粉色代表用X射线观测到的星系际气体的分布。蓝紫色代表星系团的质量分布,这也可以认为就是暗物质的分布。这个质量分布是利用子弹星系团背后的天体所发出的光被星系团的引力效应弯折的现象推算出来的。可以看出,气体发生碰撞后停留在中心,暗物质则互相穿过。(图:NASA等) 暗物质的必要条件 现在我们来总结一下,看看要成为暗物质,都需要满足哪些条件: 1。 不发出任何光 2。 几乎不与任何物质发生碰撞 3。 在宇宙早期时速度几乎是零 4。 宇宙中存在的量大约是可见物质的5倍 科学家认为,满足上述条件、有希望成为暗物质的基本粒子有两种:中轻微子(neutralino)和轴子(axion)。中轻微子是一种理论上预言的粒子,尚未被发现。它不带电,质量是质子的1000倍左右,因为质量大所以运动得很慢。它既不发光,也很少与其他物质发生碰撞。在宇宙中的数密度平均是1000立方米1个。轴子也是一种理论上预言的粒子,它的质量非常小,大约只有质子的100万亿分之1。假如轴子就是暗物质的的话,数密度可以达到1000立方米1017个。从宇宙早期诞生时开始,轴子的速度就几乎为零,这是因为它几乎不与其他粒子发生碰撞,也就无法得到能量。 寻找暗物质 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在试图找到它。实际上,暗物质本身我们根本无法捕获,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。 最直接的方法就是捕捉暗物质与某个原子核相碰撞时发出的信号。例如我国的锦屏极深地下暗物质实验室,位于四川雅砻江锦屏山的隧道内,上方有厚达2400米的岩石层,可以将穿透力极强的宇宙射线隔绝到只有地面水平的大约亿分之一,为探测暗物质提供了一个几乎没有干扰的环境。实验室使用的是我国自主设计的高纯锗探测器,测量暗物质粒子与锗晶体碰撞时产生的热。加拿大、美国、意大利、日本等国也建有寻找暗物质的地下实验室。
锦屏极深地下暗物质实验室是世界上岩石覆盖最深的实验室
还有间接探测暗物质的方法,就是捕捉暗物质对互相碰撞、湮灭时产生的痕迹。当一对暗物质粒子偶然正碰的时候,会同时湮灭,可能会放出质子、电子及它们的反粒子、中微子和伽马射线。如果能够精确测量到这些粒子的能谱,就可能会发现暗物质粒子的踪影。例如丁肇中教授主持的阿尔法磁谱仪(AMS)实验,就是在太空中高精度地探测反物质粒子的能谱,有可能发现暗物质的踪影。2011年5月19日,奋进号航天飞机将重达6.7吨的AMS-02探测器运送到国际空间站上,展开探测。我国有多个研究单位参与了这一项目。 国际空间站上的阿尔法磁谱仪实验(照片中上部)
中国科学院计划于2015年底左右发射一颗暗物质探测卫星,进行暗物质间接探测实验。这颗卫星既能探测正负电子,又能够观测高能伽马光子,而且具有较好的能量分辨率,希望能捕捉到暗物质的踪迹。 中科院的暗物质卫星
除了捕捉暗物质,科学家们还试图人工制造出暗物质,例如中轻微子。目前最有希望制造出中轻微子的就是位于瑞士日内瓦郊外地下的“大型强子对撞机”(Large Hadron Collider,LHC)。2012年,科学家正是用LHC发现了被称为“上帝粒子”的希格斯粒子。 暗物质占宇宙组成的大约23%,另一种神秘的东西——暗能量占到了大约73%。也就是说,这个宇宙96%的组成我们都还不清楚到底是什么。暗物质是恒星、星系等天体形成的种子,暗物质是什么,直接关系着我们自身的起源。暗物质之谜的解开,也将是粒子物理学的一次飞跃。
|