暗物質(zhì)與暗能量研究進(jìn)展

柴錚

【摘 要】21世紀(jì)來自物理學(xué)和天文學(xué)的重大挑戰(zhàn)之一是暗物質(zhì)和暗能量。文章首先就暗物質(zhì)和暗能量的概念和發(fā)現(xiàn)歷史進(jìn)行了簡述，接著較詳細(xì)地介紹了國際及國內(nèi)暗物質(zhì)和暗能量的研究動態(tài)，最后展望了我國暗物質(zhì)和暗能量研究前景。

【關(guān)鍵詞】暗物質(zhì)；暗能量；研究進(jìn)展

【Abstract】In the 21st century from the physics and astronomy is one of the major challenges of dark matter and dark energy .This thesis tells the concept and discovery history of dark matter and dark energy briefly.Then it introducts the international and domestic research trends of dark matter and dark energy detailly.At last，it outlooks our countrys research prospect of dark matter and dark energy.

【Key words】Dark matter；Dark energy；Research progress

我們知道原子組成物質(zhì)，質(zhì)子、中子、電子等粒子組成原子。但是，20世紀(jì)末的天文觀測發(fā)現(xiàn)普通物質(zhì)只占宇宙的4%，而暗物質(zhì)占23%，暗能量占73%。李政道教授指出：“暗物質(zhì)是籠罩20世紀(jì)末和21世紀(jì)初現(xiàn)代物理學(xué)的最大烏云，它將預(yù)示著物理學(xué)的又一次革命?！毖芯克鼈儗谖锢韺W(xué)和天文學(xué)史上誕生出新的重大發(fā)現(xiàn)，并對未來的科學(xué)發(fā)展產(chǎn)生不可預(yù)估的重要作用。

1 什么是暗物質(zhì)、暗能量

1.1 什么是暗物質(zhì)

暗物質(zhì)（Dark Matter）是一種因存在現(xiàn)有理論無法解釋的現(xiàn)象而假想出的物質(zhì)，它小于電子和光子，不帶電荷，與電子不發(fā)生干擾，對電磁波和引力場均能穿越，是組成宇宙的重要部分。

1.2 什么是暗能量

暗能量（Dark Energy）是假想的一種能量形式，它充溢在廣闊的宇宙空間，以一種負(fù)壓力為表現(xiàn)，在推動宇宙運(yùn)動中起巨大作用。

2 暗物質(zhì)、暗能量的發(fā)現(xiàn)歷史

2.1 暗物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)歷史

1933年弗里茨.茲威基（Fritz Zwicky）發(fā)現(xiàn)按照星系的徑向運(yùn)動速度推斷出的星系團(tuán)質(zhì)量和按照星系團(tuán)中發(fā)光星體推斷出的質(zhì)量相差了近400倍。因此，他推測星系團(tuán)可能主要由不發(fā)光的物質(zhì)構(gòu)成，并首次提出暗物質(zhì)的概念[1]。

20世紀(jì)70年代，美國天文學(xué)家薇拉.魯賓（Vera Rubin）通過對大量星系旋轉(zhuǎn)曲線的研究證實宇宙中確實存在大量暗物質(zhì)。

20世紀(jì)80年代，科學(xué)家正式提出了“暗物質(zhì)”這個名稱并被廣為接受。

2.2 暗能量的發(fā)現(xiàn)歷史

按照宇宙大爆炸理論，發(fā)生大爆炸后，宇宙的膨脹速度會因為時間的流逝逐漸減慢。但1998年，美國加州大學(xué)物理學(xué)伯克利國家實驗室（LBNL）及澳大利亞國立大學(xué)的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，宇宙正在加速膨脹，并不是以前科學(xué)家預(yù)測的減速膨脹。

Ia型超新星觀測是宇宙中存在暗能量的最直接觀測證據(jù)。1998 年兩個Ia 型超新星（SN）小組發(fā)現(xiàn)了宇宙在加速膨脹，由此揭示了暗能量的存在，這一成果被美國《科學(xué)》雜志選為當(dāng)年的世界十大科技進(jìn)展之首。之后暗能量一直為物理學(xué)界和天文學(xué)界關(guān)注的焦點(diǎn)。暗能量的基本特征是具有負(fù)壓，在宇宙空間中（幾乎）均勻分布且不結(jié)團(tuán)[2]。

3 暗物質(zhì)、暗能量的研究動態(tài)

3.1 國際暗物質(zhì)、暗能量的研究動態(tài)

20世紀(jì)70年代以來，通過對大型天體間尤其是星系間的引力觀測研究，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，普通物質(zhì)不會引起這么大的引力，因此宇宙存在暗物質(zhì)的理論被廣泛認(rèn)同。

發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)存在的直接證據(jù)是在2006年。美國天文學(xué)家在對星系團(tuán)1E 0657-56進(jìn)行觀測時意外觀測到在星系團(tuán)猛烈碰撞的過程中，黑暗物質(zhì)與正常物質(zhì)分開，由此獲得暗物質(zhì)存在的直接證據(jù)。

2007年1月，暗物質(zhì)分布圖誕生。

2007年，美國暗物質(zhì)研究評估小組成立，該小組由美國國家航空航天局（NASA）、自然科學(xué)基金會（NSF）、美國能源部（DOE）聯(lián)合組成，在其發(fā)布的報告中指出，破解宇宙暗物質(zhì)謎團(tuán)具有極其重要的科學(xué)意義，并希望美國加大在暗物質(zhì)研究方面的投入，保持世界領(lǐng)先地位。

2007年5月16日出版的《天體物理學(xué)雜志》稱，約翰斯·霍普金斯大學(xué)天文學(xué)家小組利用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，探測到了位于遙遠(yuǎn)星系團(tuán)中呈環(huán)狀分布的暗物質(zhì)[3]，成為最強(qiáng)有力的能證明暗物質(zhì)存在的證據(jù)。

2007年，日本成立了科維理宇宙物理與數(shù)學(xué)研究所（簡稱“Kavli IPMU”），暗物質(zhì)與暗能量是其研究的重要課題。并為其昴星團(tuán)望遠(yuǎn)鏡（Subaru）升級HSC數(shù)字照相機(jī)，成立了PFS合作組，以進(jìn)行高精度的深空觀測，從而探索暗能量更多的細(xì)節(jié)。

2008年9月，噸量級的暗物質(zhì)直接探測實驗被列為歐洲天體粒子物理聯(lián)盟（APPEC）規(guī)劃的7個天體粒子物理項目規(guī)劃之首。

2009年12月，迄今為止最有力的發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的證據(jù)在Souden煤礦中被科學(xué)家發(fā)現(xiàn)。

美國國家科學(xué)院在2012至2021天文及天體物理十年規(guī)劃中，將暗物質(zhì)與暗能量的探測列為主要的研究方向。

美國自20世紀(jì)80年代以來通過宇宙背景探測者衛(wèi)星（COBE衛(wèi)星），威爾金森微波各向異性探測器（WMAP衛(wèi)星）先后對宇宙微波背景輻射進(jìn)行觀測，從而發(fā)現(xiàn)了暗能量的存在。斯隆數(shù)字巡天（SDSS），暗能量巡天（DES）自21世紀(jì)開始通過對超新星和弱引力透鏡的觀測，嘗試獲得更多關(guān)于暗能量的信息。暗能量譜儀裝置（DESI）、廣域紅外巡天望遠(yuǎn)鏡（WFIRST）、大型綜合巡天望遠(yuǎn)鏡（LSST）等期望在建成后能對暗能量進(jìn)行精密的測量。

2013年4月4日，在日內(nèi)瓦歐洲核子中心諾貝爾物理獎獲得者丁肇中教授首次公布其領(lǐng)導(dǎo)的阿爾法磁譜儀（AMS）項目的第一個實驗結(jié)果——已發(fā)現(xiàn)的40萬個正電子可能來自一個共同之源，即脈沖星或人們一直尋找的暗物質(zhì)。

2014年9月18日，在瑞士日內(nèi)瓦舉行的程林教授團(tuán)隊與丁肇中合作的AMS項目重大成果發(fā)布會上，最新研究成果“宇宙射線中過量的正電子可能來自暗物質(zhì)”得以公布，并在6個能證明暗物質(zhì)存在的有關(guān)特征中確認(rèn)了5個。

國外諸多探測暗物質(zhì)、暗能量的實驗（包括地面和空間）正在籌建或已投入運(yùn)行，其中暗物質(zhì)地下探測實驗室多達(dá)20個；空間實驗包括高能γ射線實驗望遠(yuǎn)鏡（EGRET）、意大利負(fù)載反物質(zhì)探索和光核天體物理學(xué)衛(wèi)星（PAMELA）、費(fèi)米衛(wèi)星和普朗克巡天者（Planck衛(wèi)星）及衛(wèi)星導(dǎo)航警戒衛(wèi)星（SNAP衛(wèi)星）、觀測帶電粒子的哈勃望遠(yuǎn)鏡（AMS02）、大口徑綜合巡天望遠(yuǎn)鏡（LSST）等；正在運(yùn)行的大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）也將有力地推動暗物質(zhì)的探測[4]。

3.2 國內(nèi)暗物質(zhì)、暗能量的研究動態(tài)

我國對暗物質(zhì)和暗能量的研究非常重視。國務(wù)院在2006年制定的《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》里面定義了8個基礎(chǔ)研究前沿領(lǐng)域，“暗物質(zhì)和暗能量的本質(zhì)”是“物質(zhì)深層次結(jié)構(gòu)和宇宙大尺度物理學(xué)規(guī)律”領(lǐng)域內(nèi)的主要研究方向之一。

2008年，由中科院牽頭，中國科學(xué)家團(tuán)隊制訂了一個“上天入地到南極”的暗物質(zhì)和暗能量探測的發(fā)展路線圖，其中“上天”指暗物質(zhì)探測衛(wèi)星，“入地”指四川錦屏地下暗物質(zhì)探測，“到南極”指在南極昆侖站建設(shè)大型天文望遠(yuǎn)鏡來探測。這些項目得到了積極的推進(jìn)，并取得了豐富的成果。

國家“973計劃”項目之“暗物質(zhì)、暗能量的理論研究與實驗預(yù)研”于2010年正式啟動。項目首席科學(xué)家吳岳良院士將研究目標(biāo)進(jìn)一步凝練為“兩暗一新”，即通過對暗物質(zhì)和暗能量的深入研究，探索微觀和宇觀世界的新現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)新規(guī)律、提出新理論[5]。

最引人注目的實驗進(jìn)展來自于錦屏地下實驗室的暗物質(zhì)直接探測項目中國暗物質(zhì)實驗（CDEX）和粒子物理和天體物理氙探測器（PandaX）。2013年，CDEX發(fā)表了首批低質(zhì)量區(qū)域暗物質(zhì)直接探測結(jié)果，這也是中國在暗物質(zhì)直接探測方面從無到有的一個突破進(jìn)展[6]。

由中科院紫金山天文臺、中科大合作研發(fā)的暗物質(zhì)粒子探測器（DAMPE）于2015年年底發(fā)射，通過探測來自宇宙空間的高能伽馬光子、電子以及質(zhì)子，間接觀測宇宙空間中的暗物質(zhì)。基于未來的中國空間站的高能宇宙輻射探測裝置（HERD）也處于積極的研發(fā)中，并取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展[7]。

在暗能量研究方面，中國目前最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡LAMOST（又稱郭守敬望遠(yuǎn)鏡）開始了銀河系內(nèi)觀測，但是由于所處地理位置的關(guān)系，實現(xiàn)大范圍巡天還有困難。觀測中性氫產(chǎn)生的21厘米輻射的“宇宙第一縷曙光”項目（21CMA）在進(jìn)行中。在新疆紅柳峽地區(qū)開展21厘米天文學(xué)（天籟計劃）還在進(jìn)行原理驗證?？臻g站大規(guī)模光學(xué)巡天項目完成了前期的論證工作，目前正在解決巡天相機(jī)所需要的關(guān)鍵技術(shù)。

此外，國內(nèi)的研究單位在暗能量研究方向參與了廣泛的國際合作。中國科學(xué)院國家天文臺等單位參與了SDSS四期、重子振蕩光譜巡天（BOSS）、擴(kuò)展重子振蕩光譜巡天（eBOSS）、CFHTLenS弱引力透鏡巡天實驗等國際合作項目，力圖通過天文觀測手段對暗能量的物理性質(zhì)進(jìn)行限制[8]。

4 我國暗物質(zhì)和暗能量研究展望

在過去的幾年里，我國在暗物質(zhì)的直接和間接探測研究方面已經(jīng)趕上世界的步伐，暗能量的追趕卻才剛剛開始。

暗物質(zhì)直接探測實驗方面要利用好錦屏地下實驗室二期，將相應(yīng)的研究深入推進(jìn)。暗物質(zhì)間接探測實驗方面要利用發(fā)射暗物質(zhì)探測衛(wèi)星DAMPE、AMS項目、紫金山天文臺、西藏羊八井宇宙線地面觀測站等研究，預(yù)期會對暗物質(zhì)的研究做出有意義的貢獻(xiàn)。暗能量研究方面有望利用空間站、觀測站實施巡天項目以取得暗能量的突破性研究。

總之，今后的10-20年將是暗物質(zhì)與暗能量探測研究的關(guān)鍵時期，我國科學(xué)家應(yīng)該有所作為，積極開展先進(jìn)探測技術(shù)的研發(fā)，在暗物質(zhì)、暗能量探測技術(shù)水平方面取得突破性重大成果，做出引領(lǐng)世界的貢獻(xiàn)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]ZwickyF.Spectraldisplacementofextragalacticnebulae.Helv. Phys.Acta，1933，6，110.

[2]張新民，陳學(xué)雷.暗物質(zhì)、暗能量研究進(jìn)展及中國的機(jī)遇[J].中國科學(xué)院院刊，2015，26（5）：500.

[3]科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)有暗物質(zhì)存在的直接證據(jù).騰訊網(wǎng).2007-05-17[引用日期2015-02-6].

[4]蔡榮根，周宇峰.暗物質(zhì)與暗能量研究新進(jìn)展[J].中國基礎(chǔ)科學(xué)，2010，12（3）：3-9.

[5]蔡榮根，周宇峰.暗物質(zhì)與暗能量研究新進(jìn)展[J].中國基礎(chǔ)科學(xué)，2010，12（3）：3-9.

[6]季向東，張新民，諶勛.中國暗物質(zhì)與暗能量研究展望[J].科學(xué)通報，2016，61（11）：1181-1187.

[7]季向東，張新民，諶勛.中國暗物質(zhì)與暗能量研究展望[J].科學(xué)通報，2016，61（11）：1181-1187.

[8]季向東，張新民，諶勛.中國暗物質(zhì)與暗能量研究展望[J].科學(xué)通報，2016，61（11）：1181-1187.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]