“隱形”的暗物質 如何被“看見”（瞰前沿）

宇宙中存在大量產生引力卻不發光的物質，這樣的物質被稱作“暗物質”，其總量遠遠超過構成可見世界的物質。

前不久，中國科學院報告研判125個科學研究前沿，軸子暗物質探測位列其中。近年來，科學家運用人工智能、量子技術等探測暗物質，也取得了可喜的進展。

暗物質對宇宙影響深遠，那是一種看不見的力量，默默推動着宇宙的演化。探測和研究暗物質，是一個拓展人類認知邊界的過程，科學家不斷提出新的理論和研究方法，每一次新發現都可能顛覆我們對宇宙的認識。本期“瞰前沿”關注暗物質研究，瞭解一下那個充滿趣味和激情的暗物質世界。

——編 者

宇宙，誕生於約137億年前的大爆炸。在誕生之初，宇宙處於高温、高密度、均勻的狀態，隨着宇宙的膨脹、冷卻，原子得以形成，並在引力作用下聚集。大爆炸後約1億年，第一代恆星形成，隨之形成的是恆星的聚集體——星系。星系通過合併，吸積氣體，逐漸成長。璀璨的星系世界就這樣從無到有一步步形成。

20世紀30年代以來，一系列天文觀測顯示，以璀璨羣星為代表的原子物質只佔據宇宙物質總量的很少一部分，宇宙中存在大量產生引力卻不發光的物質，這樣的物質被稱作“暗物質”，其總量遠遠超過構成可見世界的物質。

暗物質的存在對宇宙的結構演化和星系形成至關重要。在宇宙早期，暗物質聚集產生的引力提供了星系形成所需要的引力勢阱。如果暗物質不存在，那麼我們所處的銀河系就無法形成。因此，自其存在被觀測確定以來，暗物質一直是天文學最重要的研究對象之一。

暗物質和原子物質不同，它不參與電磁相互作用，不發光，也不會被光照亮。不過，科學家能夠基於暗物質引力效應，測繪其在宇宙中的分佈，進而探索暗物質是什麼。隨着新一代高精度天文觀測設施投入使用，“隱形”的暗物質正在被更好地“看見”。

看不見摸不着，如何測繪暗物質

宇宙尺度的暗物質測繪主要有三類方法。

第一種方法，暗物質存在引力，這會影響天體的運動，而天體的運動可以通過光譜學方法和天體測量學方法“捕捉”。20世紀30年代，天文學家弗里茲·茨威基正是因為發現了星系團中星系的運動速度太快，需要額外的物質來提供引力束縛，進而意識到暗物質的存在。現在，對恆星、星團、星際氣體雲等天體的運動測量，仍然是研究銀河系和近鄰星系內暗物質分佈的最主要手段。

第二種方法，是通過引力透鏡效應進行暗物質研究，這也是應用最為廣泛的暗物質測繪方法。根據廣義相對論，任何物質都會有引力效應，能夠使其周圍的空間彎曲。遙遠星系發出的光，經過彎曲的宇宙空間來到地球，觀測者看到的星系形態與其本來的形態相比就是扭曲的。這類似於透過玻璃透鏡觀察世界會看到扭曲的景象，因此稱作引力透鏡效應。在大多數情況下，這種扭曲非常輕微，被稱作弱引力透鏡效應。天文學家通過精確測量目標天區裏大量星系的形態，並進行統計分析，可以提取由暗物質帶來的空間扭曲信息，進而繪製目標天區中的暗物質密度分佈。此外，在背景星系、作為透鏡的引力勢場中心、觀測者三者幾乎連成一線的情況下，觀測者觀察到的星系圖像會有更強烈的扭曲，形成愛因斯坦環、巨弧等強引力透鏡現象。強引力透鏡現象特別適合研究宇宙小尺度（1000光年—10萬光年尺度）的暗物質分佈。

第三種方法，是利用星系作為示蹤物來研究暗物質在宇宙尺度的分佈。所有的星系都形成在被稱為“暗暈”的暗物質團塊中，並隨着暗暈的質量增長和相互合併演化。如果我們把星系在數千萬光年空間尺度上的分佈畫成一張圖，這張圖會呈現出蛛網般的形態，被稱作“宇宙網”。宇宙網實際上呈現了暗物質分佈的大尺度結構。基於宇宙結構演化理論，科學家可以通過統計星系的空間分佈、星系與星系之間的位置關聯來研究暗物質的宇觀分佈。

暗物質的“真面目”是什麼

暗物質是一種基本粒子嗎？它的靜止質量是多少？如何和其他粒子相互作用呢？這些問題，現在還沒有明確的答案。

如果暗物質是一種粒子，那麼它可能會衰變、湮滅，從而可能轉化為可觀測的光子或其他可探測的粒子。人類探測暗物質粒子可以“上天”探索：在太空中，美國的費米伽馬射線衞星試圖觀測暗物質湮滅產生的伽馬光子，中國科學院主持研製的暗物質粒子探測衞星“悟空”的目標則是觀測暗物質可能轉化形成的高能電子/正電子；也可以“入地”探尋：在地下實驗室，美國的暗物質探測器LUX-ZEPLIN，歐洲的XENONnT實驗和中國的“熊貓實驗”（PandaX）、暗物質實驗項目（CDEX）等則試圖觀察暗物質與普通物質碰撞產生的輝光。這些觀測從多方面壓縮了暗物質粒子的躲藏空間，幫助我們逐漸接近暗物質粒子本質。

相比於直接探測暗物質粒子，天文觀測更關注暗物質的性質。藉助宇宙學高精度數值模擬，科學家可以將暗物質粒子的微觀屬性和暗物質在千萬光年甚至兆億光年尺度上的物質分佈結構建立精確的聯繫，這就如同一座建築，用竹木、磚石建造還是用鋼筋建造，將影響到大樓的高度、形態等。反過來，宇宙物質分佈的宏觀結構，也可以用於研究暗物質粒子的性質。

人類目前對於暗物質的認知，主要來自天文學觀測。通過宇宙微波背景輻射、宇宙大尺度結構等觀測，科學家確定暗物質的總量是可見物質總量的5倍以上。此外，暗物質粒子的性質必須允許宇宙結構以一種“等級成團”的方式形成——小的結構先於大的結構形成。這暗示暗物質可能是一類質量很大的粒子，在宇宙早期具有較小運動速度，符合這樣性質的暗物質被稱為“冷暗物質”。

當前，天文學前沿觀測對於暗物質性質的探索，主要集中在兩個方面。首先是暗物質粒子的質量，這個問題常被描述為“暗物質究竟有多冷”。在宇宙中，越“冷”的暗物質，能夠形成越多的低質量暗暈。對強引力透鏡、銀河系星流等現象的觀測，可以測量到質量非常低的暗暈。另一個方面是暗物質粒子如何和其他粒子以及自身發生相互作用。這可以被形象描述為“暗物質粒子會不會碰撞”。暗物質粒子的這一性質會影響到暗暈的內部結構，通過強、弱引力透鏡和運動學方法精確測量暗暈內的物質分佈，將有助於瞭解暗物質粒子的“碰撞”能力。

我們離暗物質的謎底還有多遠

天文學家當前希望將不同的觀測方法結合起來，獲取從太陽鄰域到百億光年尺度暗物質分佈的“詳細地圖”以研究暗物質性質。這需要開展一種被稱作“巡天”的普查式觀測，用於系統、均勻地獲取在廣闊宇宙空間中的天體圖像、光譜信息，並從中提取星系動力學、引力透鏡等信息，進而測繪暗物質分佈。新一代空間天文旗艦級項目，包括歐洲航天局發射的歐幾里得望遠鏡、我國的巡天空間望遠鏡和美國的羅曼空間望遠鏡，都將在太空開展高精度巡天觀測。其中，我國將要發射的巡天空間望遠鏡搭載了大視場巡天相機和多台天文精測探測器，有望在暗物質測繪和暗物質性質研究領域取得進展。

巡天空間望遠鏡的口徑和哈勃望遠鏡相當，但一次可觀測的天空範圍遠超美國發射的哈勃望遠鏡和韋布望遠鏡，特別適合開展對宇宙的圖像和光譜普查工作。如果説哈勃望遠鏡是長焦鏡頭，可以拍攝到遠山上一頭奶牛的清晰圖像，巡天空間望遠鏡就好比廣角鏡頭，可以一次性拍攝整個山上牛羣的圖像，並且其中任何一頭牛的樣子都十分清晰。

除了巡天望遠鏡，我國還建成了一系列適合開展暗物質研究的地面望遠鏡，比如郭守敬望遠鏡，這是測量銀河系內暗物質分佈的重要設施；“中國天眼”500米口徑球面射電望遠鏡（FAST），可提供近鄰宇宙氫原子雲的分佈信息，這些氫原子雲也可以作為暗物質的示蹤體來搜索低質量的暗暈。此外，我國參與的大型國際合作項目“平方公里陣列”將在射電波段打開一扇測繪暗物質的“窗户”。

隨着新一代海量天文數據的獲得，在未來的10—20年，暗物質的天文學測繪有望進入一個黃金時期。現階段我們所做的努力也許並不是為了明天或後天，而是為了更遙遠的未來，我們期待能夠真正理解暗物質世界。

（作者為北京師範大學教授、巡天望遠鏡科學工作聯合中心科學數據責任科學家）