　　暗物質(zhì)對(duì)宇宙影響深遠(yuǎn)，那是一種看不見的力量，默默推動(dòng)著宇宙的演化。探測(cè)和研究暗物質(zhì)，是一個(gè)拓展人類認(rèn)知邊界的過程，科學(xué)家不斷提出新的理論和研究方法，每一次新發(fā)現(xiàn)都可能顛覆我們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)。本期“瞰前沿”關(guān)注暗物質(zhì)研究，了解一下那個(gè)充滿趣味和激情的暗物質(zhì)世界。

　　——編者

　　宇宙，誕生于約137億年前的大爆炸。在誕生之初，宇宙處于高溫、高密度、均勻的狀態(tài)，隨著宇宙的膨脹、冷卻，原子得以形成，并在引力作用下聚集。大爆炸后約1億年，第一代恒星形成，隨之形成的是恒星的聚集體——星系。星系通過合并，吸積氣體，逐漸成長。璀璨的星系世界就這樣從無到有一步步形成。

　　20世紀(jì)30年代以來，一系列天文觀測(cè)顯示，以璀璨群星為代表的原子物質(zhì)只占據(jù)宇宙物質(zhì)總量的很少一部分，宇宙中存在大量產(chǎn)生引力卻不發(fā)光的物質(zhì)，這樣的物質(zhì)被稱作“暗物質(zhì)”，其總量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過構(gòu)成可見世界的物質(zhì)。

　　暗物質(zhì)的存在對(duì)宇宙的結(jié)構(gòu)演化和星系形成至關(guān)重要。在宇宙早期，暗物質(zhì)聚集產(chǎn)生的引力提供了星系形成所需要的引力勢(shì)阱。如果暗物質(zhì)不存在，那么我們所處的銀河系就無法形成。因此，自其存在被觀測(cè)確定以來，暗物質(zhì)一直是天文學(xué)最重要的研究對(duì)象之一。

　　暗物質(zhì)和原子物質(zhì)不同，它不參與電磁相互作用，不發(fā)光，也不會(huì)被光照亮。不過，科學(xué)家能夠基于暗物質(zhì)引力效應(yīng)，測(cè)繪其在宇宙中的分布，進(jìn)而探索暗物質(zhì)是什么。隨著新一代高精度天文觀測(cè)設(shè)施投入使用，“隱形”的暗物質(zhì)正在被更好地“看見”。

　　看不見摸不著，如何測(cè)繪暗物質(zhì)

　　宇宙尺度的暗物質(zhì)測(cè)繪主要有三類方法。

　　第一種方法，暗物質(zhì)存在引力，這會(huì)影響天體的運(yùn)動(dòng)，而天體的運(yùn)動(dòng)可以通過光譜學(xué)方法和天體測(cè)量學(xué)方法“捕捉”。20世紀(jì)30年代，天文學(xué)家弗里茲·茨威基正是因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了星系團(tuán)中星系的運(yùn)動(dòng)速度太快，需要額外的物質(zhì)來提供引力束縛，進(jìn)而意識(shí)到暗物質(zhì)的存在。現(xiàn)在，對(duì)恒星、星團(tuán)、星際氣體云等天體的運(yùn)動(dòng)測(cè)量，仍然是研究銀河系和近鄰星系內(nèi)暗物質(zhì)分布的最主要手段。

　　第二種方法，是通過引力透鏡效應(yīng)進(jìn)行暗物質(zhì)研究，這也是應(yīng)用最為廣泛的暗物質(zhì)測(cè)繪方法。根據(jù)廣義相對(duì)論，任何物質(zhì)都會(huì)有引力效應(yīng)，能夠使其周圍的空間彎曲。遙遠(yuǎn)星系發(fā)出的光，經(jīng)過彎曲的宇宙空間來到地球，觀測(cè)者看到的星系形態(tài)與其本來的形態(tài)相比就是扭曲的。這類似于透過玻璃透鏡觀察世界會(huì)看到扭曲的景象，因此稱作引力透鏡效應(yīng)。在大多數(shù)情況下，這種扭曲非常輕微，被稱作弱引力透鏡效應(yīng)。天文學(xué)家通過精確測(cè)量目標(biāo)天區(qū)里大量星系的形態(tài)，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以提取由暗物質(zhì)帶來的空間扭曲信息，進(jìn)而繪制目標(biāo)天區(qū)中的暗物質(zhì)密度分布。此外，在背景星系、作為透鏡的引力勢(shì)場(chǎng)中心、觀測(cè)者三者幾乎連成一線的情況下，觀測(cè)者觀察到的星系圖像會(huì)有更強(qiáng)烈的扭曲，形成愛因斯坦環(huán)、巨弧等強(qiáng)引力透鏡現(xiàn)象。強(qiáng)引力透鏡現(xiàn)象特別適合研究宇宙小尺度(1000光年—10萬光年尺度)的暗物質(zhì)分布。

　　第三種方法，是利用星系作為示蹤物來研究暗物質(zhì)在宇宙尺度的分布。所有的星系都形成在被稱為“暗暈”的暗物質(zhì)團(tuán)塊中，并隨著暗暈的質(zhì)量增長和相互合并演化。如果我們把星系在數(shù)千萬光年空間尺度上的分布畫成一張圖，這張圖會(huì)呈現(xiàn)出蛛網(wǎng)般的形態(tài)，被稱作“宇宙網(wǎng)”。宇宙網(wǎng)實(shí)際上呈現(xiàn)了暗物質(zhì)分布的大尺度結(jié)構(gòu)。基于宇宙結(jié)構(gòu)演化理論，科學(xué)家可以通過統(tǒng)計(jì)星系的空間分布、星系與星系之間的位置關(guān)聯(lián)來研究暗物質(zhì)的宇觀分布。

　　暗物質(zhì)的“真面目”是什么

　　暗物質(zhì)是一種基本粒子嗎？它的靜止質(zhì)量是多少？如何和其他粒子相互作用呢？這些問題，現(xiàn)在還沒有明確的答案。

　　如果暗物質(zhì)是一種粒子，那么它可能會(huì)衰變、湮滅，從而可能轉(zhuǎn)化為可觀測(cè)的光子或其他可探測(cè)的粒子。人類探測(cè)暗物質(zhì)粒子可以“上天”探索：在太空中，美國的費(fèi)米伽馬射線衛(wèi)星試圖觀測(cè)暗物質(zhì)湮滅產(chǎn)生的伽馬光子，中國科學(xué)院主持研制的暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”的目標(biāo)則是觀測(cè)暗物質(zhì)可能轉(zhuǎn)化形成的高能電子/正電子；也可以“入地”探尋：在地下實(shí)驗(yàn)室，美國的暗物質(zhì)探測(cè)器LUX-ZEPLIN，歐洲的XENONnT實(shí)驗(yàn)和中國的“熊貓實(shí)驗(yàn)”(PandaX)、暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(CDEX)等則試圖觀察暗物質(zhì)與普通物質(zhì)碰撞產(chǎn)生的輝光。這些觀測(cè)從多方面壓縮了暗物質(zhì)粒子的躲藏空間，幫助我們逐漸接近暗物質(zhì)粒子本質(zhì)。

　　相比于直接探測(cè)暗物質(zhì)粒子，天文觀測(cè)更關(guān)注暗物質(zhì)的性質(zhì)。借助宇宙學(xué)高精度數(shù)值模擬，科學(xué)家可以將暗物質(zhì)粒子的微觀屬性和暗物質(zhì)在千萬光年甚至兆億光年尺度上的物質(zhì)分布結(jié)構(gòu)建立精確的聯(lián)系，這就如同一座建筑，用竹木、磚石建造還是用鋼筋建造，將影響到大樓的高度、形態(tài)等。反過來，宇宙物質(zhì)分布的宏觀結(jié)構(gòu)，也可以用于研究暗物質(zhì)粒子的性質(zhì)。

　　人類目前對(duì)于暗物質(zhì)的認(rèn)知，主要來自天文學(xué)觀測(cè)。通過宇宙微波背景輻射、宇宙大尺度結(jié)構(gòu)等觀測(cè)，科學(xué)家確定暗物質(zhì)的總量是可見物質(zhì)總量的5倍以上。此外，暗物質(zhì)粒子的性質(zhì)必須允許宇宙結(jié)構(gòu)以一種“等級(jí)成團(tuán)”的方式形成——小的結(jié)構(gòu)先于大的結(jié)構(gòu)形成。這暗示暗物質(zhì)可能是一類質(zhì)量很大的粒子，在宇宙早期具有較小運(yùn)動(dòng)速度，符合這樣性質(zhì)的暗物質(zhì)被稱為“冷暗物質(zhì)”。

　　當(dāng)前，天文學(xué)前沿觀測(cè)對(duì)于暗物質(zhì)性質(zhì)的探索，主要集中在兩個(gè)方面。首先是暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量，這個(gè)問題常被描述為“暗物質(zhì)究竟有多冷”。在宇宙中，越“冷”的暗物質(zhì)，能夠形成越多的低質(zhì)量暗暈。對(duì)強(qiáng)引力透鏡、銀河系星流等現(xiàn)象的觀測(cè)，可以測(cè)量到質(zhì)量非常低的暗暈。另一個(gè)方面是暗物質(zhì)粒子如何和其他粒子以及自身發(fā)生相互作用。這可以被形象描述為“暗物質(zhì)粒子會(huì)不會(huì)碰撞”。暗物質(zhì)粒子的這一性質(zhì)會(huì)影響到暗暈的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過強(qiáng)、弱引力透鏡和運(yùn)動(dòng)學(xué)方法精確測(cè)量暗暈內(nèi)的物質(zhì)分布，將有助于了解暗物質(zhì)粒子的“碰撞”能力。

　　我們離暗物質(zhì)的謎底還有多遠(yuǎn)

　　天文學(xué)家當(dāng)前希望將不同的觀測(cè)方法結(jié)合起來，獲取從太陽鄰域到百億光年尺度暗物質(zhì)分布的“詳細(xì)地圖”以研究暗物質(zhì)性質(zhì)。這需要開展一種被稱作“巡天”的普查式觀測(cè)，用于系統(tǒng)、均勻地獲取在廣闊宇宙空間中的天體圖像、光譜信息，并從中提取星系動(dòng)力學(xué)、引力透鏡等信息，進(jìn)而測(cè)繪暗物質(zhì)分布。新一代空間天文旗艦級(jí)項(xiàng)目，包括歐洲航天局發(fā)射的歐幾里得望遠(yuǎn)鏡、我國的巡天空間望遠(yuǎn)鏡和美國的羅曼空間望遠(yuǎn)鏡，都將在太空開展高精度巡天觀測(cè)。其中，我國將要發(fā)射的巡天空間望遠(yuǎn)鏡搭載了大視場(chǎng)巡天相機(jī)和多臺(tái)天文精測(cè)探測(cè)器，有望在暗物質(zhì)測(cè)繪和暗物質(zhì)性質(zhì)研究領(lǐng)域取得進(jìn)展。

　　巡天空間望遠(yuǎn)鏡的口徑和哈勃望遠(yuǎn)鏡相當(dāng)，但一次可觀測(cè)的天空范圍遠(yuǎn)超美國發(fā)射的哈勃望遠(yuǎn)鏡和韋布望遠(yuǎn)鏡，特別適合開展對(duì)宇宙的圖像和光譜普查工作。如果說哈勃望遠(yuǎn)鏡是長焦鏡頭，可以拍攝到遠(yuǎn)山上一頭奶牛的清晰圖像，巡天空間望遠(yuǎn)鏡就好比廣角鏡頭，可以一次性拍攝整個(gè)山上牛群的圖像，并且其中任何一頭牛的樣子都十分清晰。

　　除了巡天望遠(yuǎn)鏡，我國還建成了一系列適合開展暗物質(zhì)研究的地面望遠(yuǎn)鏡，比如郭守敬望遠(yuǎn)鏡，這是測(cè)量銀河系內(nèi)暗物質(zhì)分布的重要設(shè)施；“中國天眼”500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)，可提供近鄰宇宙氫原子云的分布信息，這些氫原子云也可以作為暗物質(zhì)的示蹤體來搜索低質(zhì)量的暗暈。此外，我國參與的大型國際合作項(xiàng)目“平方公里陣列”將在射電波段打開一扇測(cè)繪暗物質(zhì)的“窗戶”。

　　隨著新一代海量天文數(shù)據(jù)的獲得，在未來的10—20年，暗物質(zhì)的天文學(xué)測(cè)繪有望進(jìn)入一個(gè)黃金時(shí)期。現(xiàn)階段我們所做的努力也許并不是為了明天或后天，而是為了更遙遠(yuǎn)的未來，我們期待能夠真正理解暗物質(zhì)世界。

　　(作者為北京師范大學(xué)教授、巡天望遠(yuǎn)鏡科學(xué)工作聯(lián)合中心科學(xué)數(shù)據(jù)責(zé)任科學(xué)家)

（責(zé)編：鄢妮）