暗物質(zhì)之謎

宇宙大爆炸理論認(rèn)為：宇宙誕生之前，沒有時間，沒有空間，沒有物質(zhì)，也沒有能量。約150億年前，一個很小的點爆炸了，逐漸膨脹，形成了空間和時間，宇宙隨之誕生，并經(jīng)過膨脹、冷卻演化至今，星系、地球、空氣、水和生命便在這個不斷膨脹的時空里逐漸形成。

最近的天文觀測和膨脹宇宙論研究表明，宇宙的密度可能由約70%的暗能，5%的發(fā)光和不發(fā)光物體，5%的熱暗物質(zhì)和20%的冷暗物質(zhì)組成。也就是說，宇宙中竟有九成是看不見的暗物質(zhì)，其中被稱作可能是宇宙早期遺留至今的一種看不見的弱相互作用的重粒子——冷暗物質(zhì)正是支持膨脹宇宙論的關(guān)鍵。

創(chuàng)世大爆炸示意圖

約150億年前，宇宙經(jīng)過一次巨大的爆炸，即“創(chuàng)世大爆炸”，開始了它膨脹和變化的過程，而這種膨脹和變化至今仍在繼續(xù)進行著。經(jīng)過千百萬年之久逐漸形成了星系、恒星以及我們今天所知道的宇宙。

正因為宇宙中的暗能、暗物質(zhì)至今尚未被發(fā)現(xiàn)，所以科學(xué)家們給我們留下了一系列關(guān)于宇宙中的暗物質(zhì)問題的謎團。人類共同關(guān)心的問題是：宇宙中的暗物質(zhì)究竟有多少？它們在宇宙中占有多大的比例？目前天文學(xué)家還無法確知。只是給出了一些估計的數(shù)字：在宇宙的總質(zhì)量中，重子物質(zhì)約占2%，也就是說，宇宙中可觀測到的各種星際物質(zhì)、星體、恒星、星團、星云、類星體、星系等的總和只占宇宙總質(zhì)量的2%，98%的物質(zhì)還沒有直接觀測到。在宇宙中非重子物質(zhì)的暗物質(zhì)當(dāng)中，冷暗物質(zhì)約占70%，熱暗物質(zhì)約占30%。

緊接著，下一個問題又來了：宇宙中存在的大量非重子物質(zhì)的暗物質(zhì)組成成分究竟是些什么粒子？它們的形成及運動規(guī)律又是怎樣的呢？于是尋找暗物質(zhì)，探求暗物質(zhì)的性質(zhì)就成了世界高能物理研究的熱點之一，尋找的途徑包括在超大型加速器上的實驗，還包括在地下、地面和宇宙空間對宇宙線粒子的測量。中國科學(xué)院高能物理研究所在尋找暗物質(zhì)的研究方面在國際上一直處于領(lǐng)先地位。1972年高能所云南高山宇宙線觀測站曾觀測到一個奇特現(xiàn)象，即觀察到一個從宇宙射線中來的能量大于3000億電子伏特的粒子碰撞石墨中的粒子后，產(chǎn)生了3個帶電粒子。分析表明，其中一個是-介子，一個是質(zhì)子，還有一個是能量大于430億電子伏特、壽命長于0.046納秒的帶電粒子。許多科學(xué)家認(rèn)為若此事能被證實，它將肯定是超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新粒子，而這個新粒子就可能是暗物質(zhì)的粒子。

科學(xué)家能夠探測到太空中的背景輻射，它們可能是宇宙大爆炸時遺留下來的。20世紀(jì)20年代，天文學(xué)家埃德溫·哈勃（1889～1953）發(fā)現(xiàn)，除了銀河系之外還有別的星系。地球和每一個星系之間的距離都以不可思議的速度在增大。

1979年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在仙女座背景方向的溫度比天空其他方向的要高，那里存在著巨大的未知質(zhì)量。“失蹤”的物質(zhì)哪里去了呢？按照牛頓物理萬有引力定律，星系中越往外的行星繞該星系中心的轉(zhuǎn)動速度越慢。太陽系中的行星運轉(zhuǎn)正是這樣的。但已觀測到有許多星系，其外邊緣行星比中心附近行星繞轉(zhuǎn)得更快。這說明除看得見的星系或星系團外，還有大量暗物隱藏在其中，它們像暈一樣包圍著星系和星系團。那么這些像暈一樣的東西是由什么物質(zhì)構(gòu)成的呢？有人認(rèn)為是X射線和星系際云，但它們遠(yuǎn)沒有估算的暗物質(zhì)那么多；也不是年老的恒星，如體積很小的中子星和白矮星，它們行將死亡時會拋出大量物質(zhì)，但人類并未觀測到。英國劍橋大學(xué)的物理學(xué)家霍金認(rèn)為有可能是黑洞。還有不少科學(xué)家認(rèn)為是“中微子”，并提出了暗物質(zhì)的“中微子”模型。但研究這個模型還存在一定的困難，例如，按此模型只有在超星系團周圍才有暈，但實際上在星系周圍也觀測到暈；而且中微子是否有質(zhì)量，科學(xué)實驗也未最終確證。

宇宙幻景

這張哈勃圖像上發(fā)光的弧弦就像宇宙蜘蛛網(wǎng)的一縷縷網(wǎng)線。這為暗物質(zhì)的存在提供了強有力的證據(jù)。阿貝爾2218是距地球30億光年的一個星系團，它相當(dāng)于一個引力透鏡。來自更遙遠(yuǎn)星系的光的射線受到其引力的影響，聚集而成為明亮的曲線。聚集光所需的引力要比可見星系提供的引力強10倍，所以這個星團90%的質(zhì)量必定存在于暗物質(zhì)上。

20世紀(jì)80年代，美國和蘇聯(lián)的一些科學(xué)家提出了暗物質(zhì)的“軸子”模型。按照這個模型，混沌伊始（宇宙爆炸后不久有一個混沌不分的時期），宇宙就如一壇重子和軸子混合交融的塊湯。后來重子由于輻射能量，慢慢地轉(zhuǎn)移到團塊中心去了，結(jié)果普通發(fā)光物質(zhì)的核被冷子暈包圍，形成了星系似的天體。這個模型簡潔美妙，有人用計算機對這種模型進行了模擬演算，最終得到的宇宙演化圖像與我們今天觀測到的宇宙十分吻合。但這個模型畢竟是假想的產(chǎn)物，它能否成立，還需要更多的實驗來驗證。

從理論上說，冷暗物質(zhì)粒子應(yīng)該具有一種質(zhì)量很重的中性穩(wěn)定粒子，它不直接參與電磁相互作用，但可以參與弱相互作用和引力相互作用。這種粒子肯定是超出標(biāo)準(zhǔn)模型的粒子，如果能在實驗中直接觀測到這種粒子，將是探討物質(zhì)微觀世界結(jié)構(gòu)和基本規(guī)律方面的重大突破。目前中科院高能所參加了由意大利羅馬大學(xué)牽頭的意中DAMA合作組的冷暗物質(zhì)粒子研究。為了避免各種信號干擾，意大利國家格朗薩索實驗室建在一個高速公路穿過的山洞下，巖石厚度有1000米。中意科學(xué)家研制的100千克低本底碘化納晶體陣列安裝在意大利格朗薩索國家地下實驗室，經(jīng)過8年的實驗，已經(jīng)探測到這種物質(zhì)粒子偶爾碰撞碘化鈉晶體中的原子核時發(fā)出的微弱光線，已獲得了這種信息的3個年調(diào)制變化周期，并據(jù)此推算出這種粒子很重，它的質(zhì)量至少是質(zhì)子的50倍。實驗的初步結(jié)果提供了宇宙中可能存在一種重粒子，即冷暗物質(zhì)粒子的初步證據(jù)。

科學(xué)家們認(rèn)為，這種粒子的存在將非常有力地支持暴漲宇宙論和超對稱粒子模型，困擾天文學(xué)家70多年的謎團就能澄清，粒子物理、天體物理、宇宙學(xué)將會有突破性發(fā)展。但實驗上要確認(rèn)冷暗物質(zhì)的存在及特性，尚需進一步的觀測數(shù)據(jù)和可靠證據(jù)，我們期待著關(guān)于暗物質(zhì)的一系列謎團早日揭開。