上天入地尋找“黑暗家族”

都芃

當我們抬頭仰望星空，能看到繁星的點點光芒布滿天穹。但在這些我們能看到的微光之外，宇宙實則被更多的“黑暗”填充?？茖W家認為，宇宙總質(zhì)能的95% 是由人類看不見、摸不著的暗物質(zhì)和暗能量組成的。它們組成的宇宙“黑暗家族”不發(fā)出任何信號，極難被探測，但充斥在整個宇宙空間，成為人們最想破解的謎團之一。

2023 年7 月1 日，歐幾里得太空望遠鏡在美國佛羅里達州卡納維拉爾角發(fā)射升空。該望遠鏡將觀測100億光年范圍內(nèi)的數(shù)十億個星系，創(chuàng)建迄今最大、最精確的宇宙3D 地圖，試圖揭開困擾人類許久的暗物質(zhì)和暗能量之謎。

暗物質(zhì)和暗能量的發(fā)現(xiàn)史

想要理解暗物質(zhì)和暗能量，首先要解釋清楚一個“悖論”，即暗物質(zhì)、暗能量既然極難被察覺，人類最初又是如何確定它們存在的呢？

20世紀30年代，瑞典天文學家在研究中發(fā)現(xiàn)，后發(fā)座星系團中星系的速度彌散度非常大，這意味著這個星系團中不同星系的運行速度有著很大的差別。對星系團中那些運行速度極快的星系來說，僅靠星系團中發(fā)光物質(zhì)的質(zhì)量，不足以束縛住它們?nèi)绱司薮蟮倪\行速度。研究者根據(jù)位力定理（廣泛用于描述自引力系統(tǒng)在平衡狀態(tài)下不同形式的能量之間的關系）計算出的星系團總質(zhì)量，要遠大于根據(jù)發(fā)光度計算出的星系團質(zhì)量。因此，天文學家大膽推測，在星系團中還存在著大量不發(fā)光但有質(zhì)量的物質(zhì)，并將其稱為暗物質(zhì)。

如果打一個通俗的比喻，暗物質(zhì)或許就像一個黑暗房間中的大象，它龐大的身軀填滿了整個房間。但由于其本身并不發(fā)出任何光亮和信號，因此人們無從得知它的存在，只能看見它頭頂電燈發(fā)出的一點兒微光，并誤以為那是房間內(nèi)的全部存在。

“暗物質(zhì)是一種在天文觀測中被發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)，具有引力作用，但不發(fā)光。對暗物質(zhì)的粒子物理性質(zhì)研究，是當前粒子物理和宇宙學最重要的研究課題之一?！北本┐髮W物理學院研究員劉佳介紹。暗物質(zhì)雖然不可見，但能夠被稱為“物質(zhì)”，是因為其具備物質(zhì)的基本特征，例如暗物質(zhì)有質(zhì)量、有引力，并且也有可能與其他粒子發(fā)生接觸、碰撞。

相較于暗物質(zhì)，暗能量則更加令人捉摸不透。

天文學家在20世紀末才真正認可暗能量的存在。暗能量概念的提出與宇宙加速膨脹理論密不可分。在過去很長一段時間內(nèi)，天文學家普遍相信，由于天體間引力的存在，宇宙的膨脹速度在逐漸放緩。但在20世紀末，多個研究團隊通過對不同距離、被稱為宇宙標準燭光的Ia 型超新星進行觀測后發(fā)現(xiàn)，地球與這些標準燭光的距離正在加速變遠，即我們的宇宙正在加速膨脹。

明明引力能夠拉近天體間的距離，為什么宇宙仍然在加速膨脹？天文學家據(jù)此認為，一定有尚未被發(fā)現(xiàn)的力量在對抗著引力，推動宇宙加速膨脹，暗能量的概念便由此而生。

利用引力透鏡探測暗物質(zhì)

雖然看不見，但暗物質(zhì)、暗能量并非完全無跡可尋，它們各有證明自己存在的方式。

中國科學技術大學物理學院天文學系教授蔡一夫說，引力透鏡效應是證實暗物質(zhì)存在的最常用的方法之一。其基本原理是，基于廣義相對論，光線會因為大質(zhì)量天體的引力而產(chǎn)生彎曲，類似于透鏡對光線的作用。如果在地球和極其遙遠的發(fā)光天體之間存在一些引力源，那么這些引力源的引力場便會像透鏡一樣，使經(jīng)過其身邊的光線發(fā)生變化。暗物質(zhì)同樣具有引力，因此也會對光線產(chǎn)生引力透鏡效應，從而有機會被我們探測到。“通過引力透鏡效應來勾勒暗物質(zhì)的分布，是目前最主要的探測手段之一?！辈桃环蛘f道。

相較于暗物質(zhì)，暗能量的探測則更為困難。由于至今仍無法確定暗能量的來源及特質(zhì)，科學家一直無法直接探測它。蔡一夫表示，目前探測暗能量的主要方式仍是依靠對Ia型超新星的標準燭光測距來實現(xiàn)的。宇宙的膨脹會拉伸我們與標準燭光的距離，我們收到的標準燭光的光線會因此產(chǎn)生紅移效應。通過對大量標準燭光紅移數(shù)據(jù)的收集、分析，天文學家將有機會探究宇宙膨脹的歷史，揭示暗能量的本質(zhì)。

雖然對暗能量的研究至今仍無定論，但關于暗能量來源的討論一直是天文學界的熱門話題。有許多科學家認為，黑洞或許就是暗能量的來源。2023年2月，一個國際科研團隊對星系中央黑洞開展觀測，結果表明黑洞可能是暗能量的來源。在這項研究中，科學家比較了擁有中心黑洞的遙遠星系和本地橢圓星系的觀測結果，發(fā)現(xiàn)星系中央黑洞的質(zhì)量比90億年前增長了7～20倍，如此快速的質(zhì)量增長無法用吸積和并合來解釋，因此研究者大膽引入了暗能量來解釋這一現(xiàn)象。

多管齊下尋找蛛絲馬跡

雖然困難重重，但人類在尋找暗物質(zhì)、暗能量上一直沒有放棄努力。在此次發(fā)射歐幾里得太空望遠鏡前，人類已經(jīng)做出了諸多嘗試。

在暗物質(zhì)探測方面，我國發(fā)射的悟空號暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星，是目前世界上觀測能段范圍最寬、能量分辨率最優(yōu)的暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星。悟空號可以通過測量高能宇宙射線來發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的蹤跡。通常認為，宇宙射線的源頭一般是超新星爆發(fā)，但暗物質(zhì)湮滅時也會產(chǎn)生宇宙射線。如果能夠發(fā)現(xiàn)超新星爆發(fā)以外的宇宙射線來源，或許可以間接探測到暗物質(zhì)。

為了尋找暗物質(zhì)，除了上天找答案，人們還深入地下數(shù)千米。暗物質(zhì)不可見，但它會和其他物質(zhì)發(fā)生碰撞。因此，當暗物質(zhì)和普通物質(zhì)的原子核發(fā)生碰撞后，普通物質(zhì)的原子核會動起來，產(chǎn)生微弱信號，科學家就能夠通過檢測這種信號來探測暗物質(zhì)的存在。但這種方法需要苛刻的實驗環(huán)境。由于信號實在太過微弱，為了把宇宙射線本底屏蔽掉，營造出極純凈的實驗環(huán)境，就必須在地下深處進行，且深度越深，宇宙射線本底越低。我國便在四川錦屏山地下約2400米建設了地下實驗室，其重要目標之一便是尋找暗物質(zhì)。

此外，劉佳也表示，通過可見物質(zhì)尋找暗物質(zhì)，也是當今粒子物理的前沿熱點問題。例如，暗光子便是理論學家構建的溝通可見物質(zhì)世界和暗物質(zhì)世界的媒介粒子之一。不久前，劉佳參與的研究團隊發(fā)現(xiàn)，地球附近的超輕暗光子暗物質(zhì)能夠誘導射電望遠鏡反射板上電子的振蕩，產(chǎn)生可觀測的射電信號。另外，偶極射電望遠鏡能夠直接與這種暗物質(zhì)產(chǎn)生射電信號?；谶@種現(xiàn)象，研究團隊提出了一種利用射電望遠鏡直接探測地球附近暗光子、暗物質(zhì)的新方法。

在暗能量探測領域，不久前，中國科學院國家天文臺參與的暗能量光譜巡天國際合作項目向全球發(fā)布了首批科學數(shù)據(jù)，包括了120萬個河外星系、類星體及50萬顆銀河系恒星的光譜。該項目計劃在5年內(nèi)獲取超4000萬個星系的光譜數(shù)據(jù)，旨在構造出三維宇宙空間的物質(zhì)分布，揭示暗能量的本質(zhì)及宇宙膨脹歷史。

相比于此前探測暗物質(zhì)、暗能量的儀器，歐幾里得太空望遠鏡的優(yōu)勢是大而精。其觀測范圍足夠寬廣，能夠覆蓋超過1/3的天空，并可以對其中10億個星系分門別類地繪制宇宙圖譜。“歐幾里得太空望遠鏡的突破在于其獲得的高清、超大面積巡天數(shù)據(jù)，可以提高引力透鏡，特別是弱引力透鏡的測量精度，使其統(tǒng)計誤差顯著降低?！辈桃环蚪榻B。

通過對數(shù)十億個星系的精確觀測，歐幾里得太空望遠鏡將創(chuàng)建包含星系形狀、位置和運動狀況等信息在內(nèi)的，迄今最大、最精確的宇宙3D地圖，幫助天文學家推斷宇宙暗能量和暗物質(zhì)的屬性，進一步加深人類對宇宙本質(zhì)的了解。