寻找宇宙命运的主宰者

■晓蒂志强

遂古之初，谁传道之？上下未形，何由考之？冥昭瞢暗，谁能极之？冯翼惟象，何以识之？

这是先秦时期楚国诗人屈原在其诗篇《天问》开篇时提出的问题。从古到今，人类始终渴望能够更好地了解我们所处的这个宇宙，探究宇宙的命运。近年来，越来越多的科学家相信，决定我们这个宇宙命运的，是一种神秘的暗物质。可是，虽然暗物质的存在已经有很强的证据，但暗物质究竟以什么形式存在，怎样才能在茫茫宇宙中找到它的踪迹，这些难题却一直让科学家头痛不已。

2008年11月20日，一个由中国、美国、俄罗斯、德国等多国科学家组成的国际研究小组发现，从宇宙空间轰击地球大气的高能电子有着令人迷惑的过剩。研究表明，这些来历不明的高能电子很可能是暗物质湮灭后留下的“足迹”。如果这一成果被进一步证实，我们就能最终揭开笼罩在暗物质之上的神秘面纱了。

现在，无论是在粒子物理学、宇宙学还是天文学中，暗物质都已经成为最重要的课题之一。甚至有人说，如果我们不了解暗物质的性质，就不能说我们已经了解了宇宙。那么，为什么暗物质对宇宙的命运如此重要呢？下面，且让我们细细道来。

宇宙命运的主宰者

1932年，荷兰天体物理学家奥尔特在研究太阳附近的银河系物质密度时意外发现，这一区域所有恒星的质量总和只占计算得到的引力质量的30%～50%。换句话说，在太阳附近有一半以上能产生引力的物质是根本看不见的。这种看不见、摸不着的神秘物质是什么呢？原来，这就是暗物质，是我们这个宇宙命运的主宰者！

我们的宇宙是从一次发生在150亿年前的大爆炸开始的。当时，宇宙中所有的物质都集中在一个点上。在大爆炸之后，它开始向外膨胀，物质由小微粒聚集成团，最终形成星系、恒星和行星等，从而产生了我们现在所看到的宇宙。

那么，这个宇宙会永远存在吗？它的最终“归宿”会是什么呢？这些问题的答案取决于宇宙中的万有引力与大爆炸产生的排斥作用之比，或者说，取决于宇宙中的物质平均密度与一个临界密度之比。如果宇宙中物质的平均密度小于临界密度，宇宙就会一直膨胀下去，永无止境，这称为“开宇宙”；要是宇宙的物质平均密度大于临界密度，膨胀过程就会在某个时刻停下来，然后开始收缩，直到在一次大坍缩中宣告消亡，这就是“闭宇宙”。当然，如果二者刚好相等，这时的宇宙就是一个无所谓收缩或者膨胀的无限平直的时空了。

正是在这里，暗物质登场了。由于它在宇宙总质量中的比例远远超过普通物质，而且分布也比普通物质大得多，因此，决定我们这个宇宙的未来究竟是会永远膨胀还是会先膨胀再收缩的关键因素，不是那些遍布苍穹的星系和星系团，而是暗物质。

暗物质不仅主宰了宇宙的未来命运，它还影响了宇宙结构的形成，影响了人类的出现。科学家发现，在宇宙的最早期，暗物质对星系、星团和其他大型结构的形成起着至关重要的作用。恒星和星系之所以能够在宇宙年龄只有几亿年时形成，关键在于宇宙中的物质密度不是严格均匀的，而这就是暗物质的功劳。打个形象的比方，暗物质就像一种“黏胶”，将整个宇宙结构会聚到一起。如果没有暗物质的存在，宇宙中就没有足够的质量使得物质聚集成形，就不会形成星系、恒星和行星，也就更谈不上今天的人类了。

发现暗物质的“儿子”

有意思的是，虽然暗物质的存在已经有很强的证据，我们甚至连暗物质在宇宙中如何分布都已经相当了解，但是，对于暗物质到底是什么这个最基本的问题，我们却几乎一无所知，甚至连暗物质粒子只有一种还是有几种都回答不出来！

之所以会出现这种怪事，原因非常简单：暗物质是一种看不见、摸不着的奇特物质。它既不发光，也不辐射其他波段的电磁波，甚至也不辐射其他轻粒子，因此，要直接发现它的芳踪，就成了一件非常困难的事。

于是，科学家转而求其次，试图通过各种方法来寻找暗物质与其他粒子反应后的产物，其中的一种方式就是探测暗物质湮灭后产生的高能电子。与质子、中子等普通物质粒子一样，暗物质粒子也存在反粒子。一旦暗物质粒子和自身的反物质粒子发生碰撞，它们就会湮灭，并产生大量的高能电子。因此，如果我们能够发现这些暗物质粒子碰撞后产生的“儿子”，即高能电子，就能够证明暗物质的存在了。

可是，观测宇宙高能电子是件非常困难的事情，因为它的流量非常弱，甚至只有宇宙线本底流量的1‰～1%。要看到如此微弱的粒子流，需要借助昂贵的空间磁谱仪。这种方法不但技术复杂，而且代价昂贵，很难用它来寻找暗物质存在的证据。

南极气球传佳音

20世纪90年代，美国科学家发起了一个ATIC（先进薄电离量能器）项目，准备在南极上空放飞气球，利用气球上携带的探测器来捕捉宇宙空间的高能宇宙线粒子。在夏季，南极上空有着一种独特的大气环境——“旋风”。由于地球引力的存在，在那里放飞的气球能够升得很高，却往往不会飘得太远，可以在数周后从几乎相同的地点将它们回收。因此，各国科学家都在南极利用放飞气球探测器的手段，来研究超高能宇宙线粒子的性质。

中国紫金山天文台研究员常进多年来一直在从事空间高能粒子的探测工作。他发现，只要把ATIC的设备稍加改造，就能够用来观测高能电子和伽马射线。这一设想被ATIC接受了。2000年年底至2001年年初，经过改造的重达2吨的ATIC探测器在南极正式升空，并进行了第一次试观测，结果表明它可以同时观测高能电子和伽马射线。这是世界上首次对高能电子进行高分辨观测。

以往科学界普遍认为，太阳系附近的高能电子主要来源于超新星遗迹，科学家为此还建立了太阳系高能电子流量模型。可ATIC的观测数据表明，宇宙高能电子流量在300Gev～800Gev，能量区间的流量远远超过预计值。显然，高能电子还有着别的起源！

不明来源的高能电子究竟来自何处？经过分析，ATIC研究组发现，观测结果与目前暗物质理论中的克鲁扎—克莱因模型吻合得很好。也就是说，这些不明来源的高能粒子很有可能是暗物质粒子湮灭时所产生的。

这个发现让研究团队激动不已。为了获得更翔实的数据，在此后的7年里，研究小组分别在2002年、2005年和2007年进行了三次观测，虽然2005年的观测因为气球本身的原因没有成功，但他们还是在3000余万个宇宙线粒子中找到了210个高能电子。更让人惊喜的是，不但这些高能电子的能谱流量与暗物质理论的预言吻合，所得到的低能参数也与欧洲和俄罗斯耗费数亿美元研制的、专门用于寻找暗物质粒子湮灭证据的磁谱仪探测器PAMELA得到的结果完全吻合。这表明，这些不明来源的高能电子极有可能是暗物质粒子湮灭时产生的。而且，如果我们能够获得进一步的观测数据，就可以基本确定暗物质粒子的物理性质。

ATIC研究组的这一重大成果，立刻引起了国际科学界的广泛关注。除《自然》杂志刊登了以常进领衔的研究论文之外，美国的《科学》、英国的《新科学家》等学术期刊以及各大国际媒体，都对这一发现进行了充分的报道。因为这个结果一旦被证实，就意味着人类首次发现了暗物质存在的形式，这将是现代天体物理学的一次突破性成就。

当然，现在就断言我们已经发现了暗物质的存在形式也许还为时太早。不过，还是有科学家乐观地预言：“对暗物质的寻找是数十年来宇宙学的中心任务，这个任务可能很快就会完成了。”这个预言是否能够实现，且让我们拭目以待吧。