暗物质

现代天文学通过引力透镜、宇宙中大尺度结构的形成、微波背景辐射等研究表明：我们目前所认知的部分大致占宇宙的4%，而暗物质约占宇宙的27%（另一种说法是23%），其余部分是一种导致宇宙加速膨胀的暗能量。暗物质的存在可以解决大爆炸理论中的不自洽性，对结构形成也非常关键。暗物质很有可能是一种（或几种）粒子物理标准模型以外的新粒子所构成。对暗物质和暗能量的研究是现代宇宙学和粒子物理的重要课题。

天文学家们是从20世纪30年代开始意识到宇宙中存在着看不见的暗物质。1933年，天文学家弗里茨•兹威基（Fritz Zwicky）对距离地球3.2亿光年、由超过3000个星系组成的后发座星系团进行了观测。

他采用了两种不同的方法来测量星系团的质量。第一种方法是对大量星系的运动速度进行分析，因为速度与引力有关，所以可以间接估计出星系团的质量。用这个方法得到质量称为“力学质量”。另一种方法是通过星系团内星系的亮度来估计质量，因为恒星质量越大就越亮。这样得到的质量称为“光度质量”。按说力学质量和光度质量应该相近，然而实际得到的结果是，力学质量比光度质量高了400倍左右！也就是说，力学质量里的绝大部分是我们看不到（不发光）的物质。如果没有这部分“看不见的物质”的作用，那么这个星系团的引力就不足以将其中的星系像现在这样束缚在一起。

暗物质

到了20世纪70年代，美国天文学家薇拉•鲁宾（Vera Rubin）使用基特峰天文台和洛厄尔天文台的望远镜对距离地球约250万光年的仙女座星系进行观测。她利用多普勒效应测量了这个星系不同半径处，围绕着星系中心旋转的气体的运动速度。按说，离中心越近，引力越大，运动速度应该越快才能产生足够的离心力，抵消掉引力的影响。就像离太阳越近的行星，公转速度就越大。但鲁宾也发现了奇怪的现象：离星系中心不同距离处的气体，围绕中心旋转的速度都差不多。她又观测了其他星系，发现也是同样的情况。鲁宾由此认为，宇宙中存在着我们看不到的物质，为弥散于星系各处的气体提供着引力。

20世纪80年代，科学家正式提出了“暗物质”这个名称。现在普遍认为，组成星系团的质量中，星系只占了百分之几，星系际介质约占20%，暗物质的比例则高达70%～80%。暗物质的所谓“看不见”，不单单是说用我们的肉眼在可见光波段看不见，而是说不论探测什么波段的电磁波，比如红外线、紫外线、X射线、伽马射线等，都看不到它。也就是说，暗物质不发出任何波段的光。

虽然科学家们还不知道暗物质究竟由什么构成，但通过观测它如何影响普通物质，并模拟它的引力效应，还是对它有了一些了解：

——宇宙中95%以上是暗物质和暗能量。暗物质不发光、不发出电磁波、不参与电磁相互作用，它无法用任何光学或电磁观测设备直接“看”到。

——暗物质难以探测，还在于它密度小、速度快，难以捕捉。

——暗物质应该来自于宇宙大爆炸。在宇宙早期某一个时刻，宇宙温度非常高，粒子能量非常强，它们剧烈碰撞，在这种相互作用下，包括暗物质在内的各种各样的物质由此产生。

——宇宙的结构与暗物质有关。由于暗物质和它自己以及其他物质不发生除了引力以外的作用，它是促使宇宙膨胀时在自身引力下形成特定结构的首要物质类型。暗物质播下了宇宙丝状结构的种子，随后可见物质才聚集在一些由暗物质建立起来的引力点上，并最终形成了星系。

——暗物质对生命来说是绝不可少的。假如没有暗物质的引力作用，我们所在的银河系将永远无法在宇宙大爆炸后的膨胀过程中坍缩形成。那样的话，现在既没有太阳，也没有地球，更没有地球生命。

被淘汰的暗物质候选者

暗物质到底是什么，现在还不清楚。不过，科学家已经排除了若干暗物质的“候选者”。

人们首先想到暗物质会不会是那些用光学望远镜很难发现的暗天体，例如行星、褐矮星、衰老的白矮星、中子星、黑洞等。但是所有暗天体加起来，也达不到星系总质量的10%，不足以扮演暗物质的重要角色。

那么，扩大范围，暗物质是由原子组成的吗？研究认为，由原子构成的物质也不足暗物质的1/5，依然无法满足暗物质所需要的量。在宇宙的早期可能存在小型的“原初黑洞”，它们不是从原子组成的恒星演化而来的，所以并不能将之从暗物质候选者中排除掉。但是原初黑洞是否真的存在现在还并不清楚。

子弹星系团

子弹星系团是由两个星系团碰撞而形成的。科学家利用引力透镜研究其质量分布的变化发现，暗物质与其他物质几乎没有相互作用，在碰撞的过程中会相互穿越而过。这个性质使人想到了中微子，它既不是原子组成的，也很难与其他物质发生相互作用，而且中微子数量庞大，每秒钟都会有上百万个中微子穿过我们的身体。那么中微子是不是暗物质呢？

20世纪70年代，科学家提出，宇宙中如果只有“可见物质”的话，那么从宇宙诞生至今的这段时间里，就来不及形成现在所观测到的宇宙中的某些结构。1985年，英国苏塞克斯大学的卡洛斯•弗伦克（Carlos Frenk）团队提出，暗物质对于宇宙中恒星和星系等小结构的产生起到了重要的作用：首先，由于偶然性，有些地方的暗物质会聚集得多一些，所以引力更强，暗物质就更易积聚，密度渐渐变大；接下来，由原子组成的物质（气体）也被引力拉过去，很快进一步坍缩，生成恒星和星系等结构；然后，一些星系进一步汇集，形成星系团。就这样，在暗物质的作用下，从星系到星系团，一步步形成了宇宙中的大尺度结构。

但是上述方案的成立是有条件的，就是暗物质必须是很“冷”的，这意味着它们是由低速的粒子构成的。计算显示，如果运动的速度太大，粒子弥散的范围太广，星系这样的小尺度结构就难以形成了。而中微子是以接近光速运动的“热”粒子，加上它的质量也太小，因此也被从暗物质的候选者中排除了。

——不发出任何光

——几乎不与任何物质发生碰撞

——在宇宙早期时速度几乎是零

——宇宙中存在的量大约是可见物质的5倍

科学家认为，满足上述条件、有希望成为暗物质的基本粒子有两种：中轻微子（neutralino）和轴子（axion）。中轻微子是一种理论上预言的粒子，尚未被发现。它不带电，质量是质子的1000倍左右，因为质量大所以运动得很慢。它既不发光，也很少与其他物质发生碰撞。在宇宙中的数密度平均是1000立方米1个。轴子也是一种理论上预言的粒子，它的质量非常小，大约只有质子的100万亿分之1。假如轴子就是暗物质的的话，数密度可以达到1000立方米1017个。从宇宙早期诞生时开始，轴子的速度就几乎为零，这是因为它几乎不与其他粒子发生碰撞，也就无法得到能量。

美国国家航空航天局（NASA）科学家在2015年11月出版的《天体物理学》杂志上发表最新研究提出，地球周围可能有着长长的暗物质细丝或“头发”。

暗物质是一种看不见的神秘物质，万有引力就像胶水，把普通物质和暗物质“粘”在一起。根据上世纪90年代的计算和过去几十年的模拟，暗物质就像“微细粒度”的流体，有着和我们的星系一样的速度和轨道。

NASA喷气推进实验室的格利•普里兹奥说，这些微细粒子流远远大于太阳系本身，可以有许多不同的流，在银河系附近纵横交错，就像巧克力香草冰淇淋，互相盘卷、混合在一起。在星系形成过程中，当万有引力与冷暗物质气体相互作用，流内所有粒子则不断运动。

研究人员利用计算机模拟分析发现，当暗物质流通过一颗行星时，流内颗粒会集中起来，变成一束超密细丝，就像一根暗物质“头发”。事实上，应该有许多这种“头发”从地球周围发出来。普通物质流不能穿过地球到达其另一边，但对暗物质而言，地球不是障碍。地球的万有引力会使暗物质粒子流聚集弯曲，成为狭长而致密的“头发”。

“头发”有“发根”（暗物质粒子密度最大时的形态）和“发稍”。当暗物质粒子流穿过地核时，它们集中在“发根”，粒子密度约为其平均密度的10亿倍。“发根”距地表约100万公里，是月亮与地球距离的两倍。掠过地表的粒子流形成“发稍”。

“如果我们能确定这些‘头发’的位置，就有望向该处发出探测，获得大量有关暗物质的信息。”普里兹奥说。

研究人员的另一项发现是，地球内部从内核到外核、地幔、地壳的密度变化也会反映到暗物质“头发”上，这些“头发”在各层间过渡处会有一些“结”。理论上如果得到这些信息，就能绘出任何行星星体的层次，甚至推测出月球上冰封的海洋深处的情况。

暗物质是现代天文学和物理学的一大谜团。世界上有很多科学团队在试图找到它。实际上，暗物质本身我们根本无法捕获，只能从它与其他物质偶然发生的碰撞所产生的蛛丝马迹，来捕捉它的身影。

除了捕捉暗物质，科学家们还试图人工制造出暗物质，例如中轻微子。目前最有希望制造出中轻微子的就是位于瑞士日内瓦郊外地下的“大型强子对撞机”（Large Hadron Collider，LHC）。2012年，科学家正是用LHC发现了被称为“上帝粒子”的希格斯粒子。

位于中国四川的锦屏极深地下暗物质实验室是世界上岩石覆盖最深的实验室

中国地下暗物质实验室

最直接的方法就是捕捉暗物质与某个原子核相碰撞时发出的信号。例如我国的锦屏极深地下暗物质实验室，位于四川雅砻江锦屏山的隧道内，上方有厚达2400米的岩石层，可以将穿透力极强的宇宙射线隔绝到只有地面水平的大约亿分之一，为探测暗物质提供了一个几乎没有干扰的环境。实验室使用的是我国自主设计的高纯锗探测器，测量暗物质粒子与锗晶体碰撞时产生的热。加拿大、美国、意大利、日本等国也建有寻找暗物质的地下实验室。

还有间接探测暗物质的方法，就是捕捉暗物质对互相碰撞、湮灭时产生的痕迹。当一对暗物质粒子偶然正碰的时候，会同时湮灭，可能会放出质子、电子及它们的反粒子、中微子和伽马射线。如果能够精确测量到这些粒子的能谱，就可能会发现暗物质粒子的踪影。例如丁肇中教授主持的阿尔法磁谱仪（AMS）实验，就是在太空中高精度地探测反物质粒子的能谱，有可能发现暗物质的踪影。2011年5月19日，奋进号航天飞机将重达6.7吨的AMS-02探测器运送到国际空间站上，展开探测。我国有多个研究单位参与了这一项目。

中国暗物质粒子探测卫星

2015年12月17日，中国把名为“悟空”的暗物质粒子探测卫星送入太空，这是人类在探索宇宙核心秘密的进程中迈出的又一重要步伐。

中国暗物质粒子探测卫星“悟空”

在中国西北荒漠中的酒泉卫星发射中心，长征二号丁运载火箭背负着暗物质探测卫星在霞光初露的背景下腾空而起。十多分钟后，“悟空”成功抵达500公里高的太阳同步轨道。

以《西游记》中神通广大的“悟空”为名的暗物质粒子探测卫星，有望用“火眼金睛”探测到披着“隐身衣”的暗物质存在的证据。

暗物质卫星首席科学家、紫金山天文台副台长常进说，“悟空”是世界上迄今为止观测能段范围最宽、能量分辨率最优的空间探测器，其观测能段是国际空间站阿尔法磁谱仪的10倍，能量分辨率比国际同类探测器高3倍以上。

这枚1．9吨重的卫星是中国科学卫星系列的首发星，既能探测正负电子，又能够观测高能伽马光子，有望探测到暗物质湮灭或衰变的证据。

“悟空”将在头两年对全天扫描，之后根据探测结果，对暗物质最可能出现的区域定向观测。首批科学成果有望在卫星发射6个月至1年后发布。

2016年7月21日晚，上海交通大学鸿文讲席教授、中国锦屏地下实验室 PandaX（熊猫计划）实验负责人季向东博士在英国举行的两年一度的国际暗物质大会上正式公布了PandaX二期500公斤级液氙暗物质探测器运行的第一个物理结果，在3.3万公斤/天的曝光量下，未发现暗物质粒子踪迹，对可能的暗物质候选对象得出了最新的限制。这一探测的灵敏度处于当前世界最高水平。7月22日下午，上海交通大学专门举行新闻发布会，公布这一结果。

“昨天我们在大会上作报告的时候现场200多位科学家都很激动，PandaX团队有一种像在奥运会上得了金牌的感觉！”身在英国的上海交通大学教授季向东通过视频连线参与了发布会。该实验团队由季向东在2009年组建。

“最密的网”缩小了人类寻找暗物质的范围

根据最新天文学和宇宙学的研究，暗物质代表了宇宙中约85%的物质含量，而人类已知的普通物质仅占约5%。由于与普通物质没有直接电磁相互作用，所以暗物质不发光，无法用通常的办法看到，因此得名暗物质。不过科学家们普遍认为，暗物质粒子与普通物质之间极有可能存在一种微弱的相互作用。物理学家便是使用这种“微弱的相互作用”所发出的信号来寻找暗物质。但由于作用太过微弱，探测工作异常困难。

为了应对这个难题，PandaX二期进行了目前全球最大的暗物质实验——500公斤级液氙暗物质探测实验，持续约100天的实验整体液氙规模高达3.3万公斤/天。负责实验数据分析的上海交通大学特聘教授刘江来在发布会现场解释，实验规模“最大”的意义在于，暗物质有最大的机率“撞”上普通物质——液氙，而发出相互作用的信号，从而被探测到。

通俗来讲，PandaX二期实验相当于织了一张目前“最密的网”，试图捕捉暗物质信号。具体而言，这张“网”的“细密程度”是σ＝2.7x10-46 cm2 ,其精度是2015年最先进成果保持者美国LUX团队的两倍。

PandaX实验用氙原子作为探测靶子，采取“守株待兔”的方式，探测弥散在地球周围的成千上万亿的暗物质粒子可能碰撞到氙原子上而发生的微弱信号。而实验记录显示，实验过程中并没有符合预期的信号产生，这个结果相当于，3.3万公斤的氙原子在一天时间内没有和这些暗物质粒子发生过一次碰撞，或者1公斤的氙原子在3.3万天里没有发生过一次碰撞。

这意味着，目前“最密的网”对于暗物质来说仍旧过于“稀疏”，这对可能的暗物质粒子的存在条件作出前所未有的理论限制, 缩小了人类寻找暗物质的范围。

“在科研上，发现一条路和堵死一条路同样重要。”中国科学院高能物理研究所研究员张新民总结说。

“最灵敏的网”能识别哪种信号源自暗物质

该探测实验最困难的地方在于探测器中可能存在多种外来干扰，这些干扰也会产生光电信号，让科学家误以为捕捉到了暗物质信号。

为尽可能减少干扰，PandaX的实验室建造于2400米深的山体下，由清华大学和雅砻江流域水电开发有限公司共同开发完成。

实验过程中，任何物质与氙原子碰撞都会转化为氙原子的反冲能，在探测器中发光、发电，而光和电信号“事件”被记录下来便可进行数据分析，来确认与氙原子相撞的到底是不是暗物质。

PandaX500公斤级探测器灵敏到可以对一个光子或一个电子进行探测，由PandaX合作组自主研发，在上海交通大学实验室建造。刘江来表示，这次数据分析挑战性最高的地方在于利用一个全新的探测器对所有探测到的事件进行“模式识别”，用前所未有的精度来甄别暗物质信号和背景“噪声”。

通俗地讲，PandaX探测器捕捉光电信号事件类似于用“最灵敏的网”捕鱼，如果把普通物质比做大鲶鱼，那么暗物质可能就是小泥鳅。这张网可以在“捕鱼”的过程中识别哪种“水花”（信号）是大鲶鱼溅起的，哪种“水花”是小泥鳅溅起的，从而为精确地捕获泥鳅提供保障。

在从2016年3月到6月底近100天的运行中，PandaX探测器捕获了约3000万次光电信号事件。而经过甄别，这3000万朵“水花”中只有一起疑似是“小泥鳅”——暗物质引起的。但通过细致分析，这个信号事件并非源于暗物质。刘江来表示，能这样很干净地排除本底干扰显示出PandaX探测器在暗物质探测方面巨大的优越性。

“孩子王”带“孩子们”做追踪暗物质领跑者

7月22日，在上海交大PandaX暗物质实验结果发布会现场，刘江来度过了他40岁的生日，主办方为他准备了生日蛋糕。刘江来激动地说：“我们就好像是孩子王，带一群孩子们终于完成了这项实验。学生们都非常优秀。”

PandaX暗物质实验是由上海交通大学牵头，国内多个合作单位包括北京大学、山东大学、中科院上海应用物理研究所、中山大学、中国科学技术大学、中国原子能科学研究院和位于四川的雅砻江流域水电开发有限公司等参与的首个大型液氙暗物质地下直接探测实验。美国马里兰大学和密西根大学的科学家也参与其中。

提起这些“孩子”，刘江来坚持把他们的名字一一读到。他还特别强调，团队中最年轻的成员只有23岁。

由于暗物质研究国际竞争激烈，为了尽快完成3000万次的数据分析，PandaX的“孩子王”和“孩子们”放弃了所有周末休息时间，每天花14小时以上分析和讨论。

刚刚博士毕业于上海交通大学的肖梦蛟负责PandaX一期实验的运行，2013年，他在地下2400米深的“洞”里连续工作了11个月，每天凌晨两点睡，早上8点开始工作，“一周7天，天天如此”。

负责二期实验运行的马里兰大学博士生谈安迪在实验“洞”里连续工作了300多天。他说：“经历诸多挫折与内心的煎熬，最终攻克探测器研发与运行中遇到的各种问题，达到世界领先的灵敏度，心中是满满的幸福。”昨天，谈安迪在英国举行的国际暗物质大会上报告了实验数据的分析过程。

身在英国的季向东表示，参加国际暗物质大会的科学家对PandaX实验组的结果反应非常热烈，纷纷表示祝贺。美国能源部主持暗物质项目的官员萨勒门博士表示，PandaX的结果令人震惊（stunning）。国际XENON合作组成员、荷兰国家实验室的蒂森尼博士则说，这次会议的“明星”是PandaX实验。

中国科学院高能物理研究所原所长陈和生表示，PandaX二期实验的最新结果表明，中国深地暗物质探测实验已经处于国际领先水平。

中国科学院院士、高能物理实验学家赵政国说，中国的科学家在探索宇宙、探索自然的最尖端领域，在中国本土也可以所得国际领先的成就。