寻找宇宙中的幽灵——暗物质

暗物质初露端倪

20世纪30年代,瑞士天文学家扎维奇发表了一个惊人结论:在星系团中,看得见的星系只占总质量的0.3%以下,而99%以上的质量是看不见的。当时许多人并不相信扎维奇的结论。

直到1978年才出现第一个令人信服的证据,这就是测量物体围绕星系转动的速度。科学家根据人造卫星运行的速度和高度,就可以测出地球的总质量。根据地球绕太阳运行的速度和地球与太阳的距离,可以测出太阳的总质量。同理,根据物体(星体或气团)围绕星系运行的速度和该物体距星系中心的距离,科学家可以估算出星系范围内的总质量。

这样计算的结果发现,星系的总质量远大于星系中可见星体的质量总和。结论似乎只能是:星系里必有看不见的暗物质。

事实上,根据推算,23%的宇宙由看不见的暗物质组成,73%由一种导致宇宙加速膨胀的暗能量组成,而太阳、银河系及所有发光的物质仅仅是宇宙中极少的一部分,大约只占4%。这是一种完全不为人类所知的物质和能量,正是它们控制着宇宙,主宰着宇宙的未来。

追踪暗物质

科学家追踪暗物质,就像追踪一个幽灵。

虽然暗物质跟普通物质一样,具有引力,但这种物质很难与普通物质发生互动,因此人们看不到它们。

目前,微中子是唯一一种曾在实验室里发现的暗物质粒子,但是它们几乎是零质量,而且在暗物质的宇宙能量部分里仅占很小比例。天体物理学家认为,剩下的很大一部分暗物质是由大质量弱相互作用粒子构成,这种粒子的能量大约比质子多10~1000倍。

微中子又叫中微子,

是组成自然界的最基本的粒子

之一,以接近光速运动。为了研究中微

子的性质,各国建造了大量探测设施,比较著名的有日本神冈町的地下中微子探测装置、俄罗斯在贝加尔湖建造的水下中微子探测设施以及美国在南极地区建造的中微子观测装置等。

对中微子的研究不仅可以告诉我们宇宙整体的质量,而且可以揭示浩瀚的太空深处各种星体的奥秘。这是因为我们现在所观测到的星光、太阳光只是星球、太阳表面发出的光,只有中微子才能畅通无阻地将星球、太阳内部的信息带给我们。

大质量弱相互作用粒子是一种运动速度相对缓慢,能够聚集成团的粒子。为了寻找理论上的大质量弱相互作用粒子,科学家们选择了地下世界。因为实验室上面覆盖的岩石可以屏蔽宇宙射线或者其他太空中的东西,消除干扰,而暗物质可以穿越一切它遇到的东西,最终被深埋在地下的高灵敏度探测器发现,因此这样的实验必须在地下深处进行。

但是,因为暗物质与普通物质相互作用的可能极其罕见,平均需要一年的时间,科学家才有可能遇到一个大质量弱相互作用粒子。

科学家也没有

更好的办法,但很多人对此信心满满。现在,暗物质探测器的精度已经比20年前增强了1000

倍,未来,科学家会建造更大更精确的探测器用于捕捉暗物质。

寻找暗物质的中国地下实验室

四川锦屏山的山底曾修建过一条可以通行汽车的隧道,隧道上面是2500多米厚的山体岩石。这些平常的隧道,在那些苦苦寻找实验环境的科学家眼里,却成了“香饽饽”。

事实上,中国锦屏地下实验室是目前世界岩石覆盖最深的实验室。在深深的地底,正有科学家醉心于此,努力寻找暗物质的踪迹。

从地面上开车大概20分钟,就能到达地下实验室。科学家戴上安全帽、穿着硬底鞋,进入布满各种仪器设备的实验室。这里四季恒温,冬暖夏凉,不需要用空调。唯一与地面实验室不同的是,这里没有窗户,感觉不到四季变化,进去久了容易让人搞不清外界是白天还是黑夜。

一旦仪器运行稳定后,科学家就不用再“守”着探测器,只需在地面上的办公室监控探测器运行即可,地下实验室的所有数据会传送至地面。

在这里工作的科学家们,探求的是物质最深层次的奥秘,每一个微小的科学发现都将使人们对物质世界的认识更进一步,这是最了不起的事。