本文綜合《知識(shí)就是力量》雜志

《天體物理奇景：暗物質(zhì)與暗能量》一文

（撰文／李慶康）、果殼科學(xué)人

2015年12月17日，中國(guó)自己的暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空號(hào)”成功發(fā)射，發(fā)射的目的就是讓它去尋找宇宙中一種既看不見(jiàn)也摸不著的神秘東西——暗物質(zhì)。

而就在今天剛出版的《自然》（Nature）雜志上，發(fā)表了中國(guó)暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”的首批探測(cè)成果——成功獲得目前世界上最精確的高能電子宇宙線能譜。其中的數(shù)據(jù)表明，宇宙空間中存在著“能量為1.4萬(wàn)億電子伏左右的新物理粒子”。

圖為“悟空”衛(wèi)星工作530天得到的高精度宇宙射線電子能譜（紅色數(shù)據(jù)點(diǎn)），以及和美國(guó)費(fèi)米衛(wèi)星測(cè)量結(jié)果（藍(lán)點(diǎn)）、丁肇中先生領(lǐng)導(dǎo)的阿爾法磁譜儀的測(cè)量結(jié)果（綠點(diǎn)）的比較。中科院供圖

簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是“悟空號(hào)”可能不負(fù)眾望的首次發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)，而且是世界首次。

那么，暗物質(zhì)是什么，我們發(fā)現(xiàn)了它為什么會(huì)這么高興呢？下面知力君就來(lái)跟大家把前因后果說(shuō)清楚。

追尋暗物質(zhì)之旅

1932年，奧爾特（Oort Jan Hendrik，荷蘭天體物理學(xué)家）指出，要解釋銀河系中恒星的軌道速度，需假定太陽(yáng)附近存在著暗物質(zhì)。

1933年，茲威基（Fritz Zwicky，瑞士天文學(xué)家）觀測(cè)室女星系團(tuán)中的運(yùn)動(dòng)，認(rèn)為星系團(tuán)中存在大量暗物質(zhì)。

1939年，巴布科克（Horace W. Babcock，美國(guó)天文學(xué)家）得到的星系旋轉(zhuǎn)曲線是暗物質(zhì)存在的強(qiáng)有力的證據(jù)，但很遺憾他未將它歸因于暗物質(zhì)。

20世紀(jì)60-70年代，魯賓（Vera Rubin， 美國(guó)天文學(xué)家）和福特（Kent Ford， 美國(guó)天文學(xué)家），首先利用星系旋轉(zhuǎn)曲線這一強(qiáng)有力的證據(jù)深入研究了暗物質(zhì)。

后來(lái)，很多觀測(cè)結(jié)果表明：宇宙中不僅存在暗物質(zhì)，而且是普通物質(zhì)的若干倍。 無(wú)論暗物質(zhì)在宇宙中什么地方集結(jié)，普通物質(zhì)都會(huì)如影隨形。普通物質(zhì)在暗物質(zhì)壓倒性的引力作用下，會(huì)無(wú)可抗拒地被吸引過(guò)去。這些普通物質(zhì)形成了恒星、星系等。

星系團(tuán)CL0024+17照片（暗物質(zhì)是看不見(jiàn)的，基于引力透鏡效應(yīng)現(xiàn)象，圖中的藍(lán)色環(huán)帶正是暗物質(zhì)）

物理學(xué)天空的“烏云”

那么，暗物質(zhì)是什么？暗物質(zhì)是如何形成的？暗物質(zhì)是如何演化的？目前，這些問(wèn)題把所有科學(xué)家都難住了。

如要徹底回答第一個(gè)問(wèn)題，必須直接找到暗物質(zhì)才能知道它是什么。根據(jù)已有的觀測(cè)證據(jù)，科學(xué)家指出暗物質(zhì)是一種在宇宙年齡尺度上穩(wěn)定，不帶電荷，參與引力相互作用，但幾乎不參與電磁和強(qiáng)相互作用，目前尚未被認(rèn)識(shí)的一種新物質(zhì)。

既然暗物質(zhì)幾乎不參與電磁和強(qiáng)相互作用，所以直接找到它是極為困難的。但科學(xué)家猜想，暗物質(zhì)可能會(huì)與普通物質(zhì)有某些微弱的相互作用、暗物質(zhì)之間可能會(huì)碰撞和湮滅、普通物質(zhì)之間的高能碰撞可能會(huì)撞出暗物質(zhì)等，所以科學(xué)家正通過(guò)高能宇宙射線、地下深井實(shí)驗(yàn)、高能粒子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)等方式尋找暗物質(zhì)。

目前國(guó)內(nèi)外有大量的實(shí)驗(yàn)在尋找暗物質(zhì)，但現(xiàn)在基本還沒(méi)有明確結(jié)果。所以，暗物質(zhì)是目前“籠罩在物理學(xué)晴朗天空中的一朵烏云”，發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)也成為了重大的科學(xué)前沿。

所以在這個(gè)時(shí)候，“悟空號(hào)”帶來(lái)的無(wú)疑是一個(gè)開(kāi)創(chuàng)性的發(fā)現(xiàn)，接下來(lái)，我們也相信“悟空號(hào)”會(huì)繼續(xù)為科學(xué)家們搜集證據(jù)，幫助我們進(jìn)一步了解暗物質(zhì)，進(jìn)一步了解宇宙。