當我(wo)們抬頭仰望星空(kong)，能(neng)看(kan)到繁(fan)星的(de)點(dian)點(dian)光芒布滿天穹。但在這些我(wo)們能(neng)看(kan)到的(de)微光之外，宇(yu)宙實則是(shi)被(bei)更多的(de)“黑暗”所填充(chong)。科(ke)學家認(ren)為，宇(yu)宙總質(zhi)能(neng)的(de)95%是(shi)由人(ren)類(lei)看(kan)不見、摸不著的(de)暗物質(zhi)和暗能(neng)量組(zu)成(cheng)。它們組(zu)成(cheng)的(de)宇(yu)宙“黑暗家族(zu)”不發出任何信號、極難被(bei)探測，但卻充(chong)斥在宇(yu)宙空(kong)間，成(cheng)為人(ren)們最想要破解的(de)謎團之一。

當地(di)時間(jian)7月1日，歐幾里得太(tai)空望遠(yuan)鏡(jing)在美(mei)國佛(fo)羅里達州(zhou)卡納維拉(la)爾(er)角發(fa)射升空。該望遠(yuan)鏡(jing)將觀測(ce)100億光年范圍內的數十億個星系，創建迄今(jin)最(zui)大、最(zui)精確的宇宙“3D地(di)圖(tu)(tu)”，試(shi)圖(tu)(tu)揭開困擾人類(lei)許久(jiu)的暗(an)物質(zhi)和暗(an)能量之謎。

暗物質和暗能量的發現史

要理解(jie)暗(an)(an)物(wu)質和暗(an)(an)能量(liang)，首先要解(jie)釋清楚一(yi)個“悖論”，即(ji)暗(an)(an)物(wu)質、暗(an)(an)能量(liang)既然極難被察覺(jue)，人類(lei)最初又是如(ru)何確定(ding)它們存(cun)在(zai)的？

20世紀30年(nian)代(dai)，瑞典天文(wen)學家在(zai)研究中發(fa)(fa)(fa)現(xian)，后發(fa)(fa)(fa)座星(xing)(xing)(xing)系團(tuan)(tuan)中星(xing)(xing)(xing)系的(de)(de)速度彌散(san)度非常大(da)，這(zhe)意味著(zhu)這(zhe)個星(xing)(xing)(xing)系團(tuan)(tuan)中不同星(xing)(xing)(xing)系的(de)(de)運行速度有著(zhu)很(hen)大(da)的(de)(de)差別。對于星(xing)(xing)(xing)系團(tuan)(tuan)中那些運行速度極快的(de)(de)星(xing)(xing)(xing)系來說，僅(jin)靠星(xing)(xing)(xing)系團(tuan)(tuan)中發(fa)(fa)(fa)光物質(zhi)(zhi)的(de)(de)質(zhi)(zhi)量(liang)，不足以(yi)束縛住其如此(ci)巨大(da)的(de)(de)運行速度。研究者根(gen)據(ju)位(wei)力(li)定理計算(suan)出的(de)(de)星(xing)(xing)(xing)系團(tuan)(tuan)總質(zhi)(zhi)量(liang)要(yao)遠大(da)于根(gen)據(ju)發(fa)(fa)(fa)光度計算(suan)出的(de)(de)星(xing)(xing)(xing)系團(tuan)(tuan)質(zhi)(zhi)量(liang)。因此(ci)，天文(wen)學家大(da)膽推(tui)測，在(zai)星(xing)(xing)(xing)系團(tuan)(tuan)中還存在(zai)著(zhu)大(da)量(liang)不發(fa)(fa)(fa)光、但卻有質(zhi)(zhi)量(liang)的(de)(de)物質(zhi)(zhi)，并將其稱為暗物質(zhi)(zhi)。

如果打一個通(tong)俗的(de)比(bi)喻，暗(an)物(wu)質(zhi)(zhi)或許就像一個黑暗(an)房間中的(de)大(da)象，它龐大(da)的(de)身軀填滿了整座房間。但(dan)由于其本身并不發(fa)(fa)(fa)(fa)出任何光亮和(he)(he)信(xin)號(hao)，人們無從得知它的(de)存在(zai)，而(er)只能看(kan)見它頭(tou)頂電(dian)燈發(fa)(fa)(fa)(fa)出的(de)一點(dian)微光，并誤以為那是(shi)宇宙(zhou)“房間”內全部的(de)存在(zai)。“暗(an)物(wu)質(zhi)(zhi)是(shi)一種在(zai)天文(wen)觀測中被發(fa)(fa)(fa)(fa)現的(de)物(wu)質(zhi)(zhi)，它具有引力作用但(dan)不發(fa)(fa)(fa)(fa)光。對暗(an)物(wu)質(zhi)(zhi)的(de)粒子(zi)物(wu)理性質(zhi)(zhi)研究是(shi)當前(qian)粒子(zi)物(wu)理和(he)(he)宇宙(zhou)學最(zui)重要的(de)研究課(ke)題之(zhi)一。”北京大(da)學物(wu)理學院(yuan)研究員劉佳介紹(shao)。

暗物(wu)(wu)質(zhi)(zhi)雖(sui)然不可見，但能夠被稱之為(wei)“物(wu)(wu)質(zhi)(zhi)”，是因為(wei)其具備物(wu)(wu)質(zhi)(zhi)的基(ji)本特征，例如暗物(wu)(wu)質(zhi)(zhi)有質(zhi)(zhi)量、有引力，并且也有可能與其他(ta)粒子(zi)發生接觸(chu)、碰撞。

相較于暗物(wu)質，暗能量則更加令人捉摸不透。

天文(wen)學家在(zai)(zai)20世紀末(mo)才真(zhen)正認可暗(an)能(neng)量的(de)(de)存在(zai)(zai)。暗(an)能(neng)量概念的(de)(de)提(ti)出與宇(yu)宙加速(su)膨脹理論(lun)密不可分。在(zai)(zai)過去(qu)很長一段時間(jian)內(nei)，天文(wen)學家普(pu)遍(bian)相(xiang)信(xin)，由于(yu)天體間(jian)引力的(de)(de)存在(zai)(zai)，宇(yu)宙的(de)(de)膨脹速(su)度在(zai)(zai)逐(zhu)漸(jian)放(fang)緩。但在(zai)(zai)20世紀末(mo)，多個研(yan)究團隊通過對不同距離、被稱為宇(yu)宙標準燭(zhu)光(guang)的(de)(de)Ⅰa型超新星進行(xing)觀測后(hou)發現，地球(qiu)與這些標準燭(zhu)光(guang)的(de)(de)距離正在(zai)(zai)加速(su)變遠，即(ji)我們的(de)(de)宇(yu)宙在(zai)(zai)加速(su)膨脹。

明明引力(li)能(neng)(neng)夠(gou)拉(la)近天體(ti)間(jian)彼(bi)此(ci)(ci)的(de)距離，但為什么(me)宇宙仍然(ran)在加(jia)速膨(peng)(peng)脹？天文學家據(ju)此(ci)(ci)認為，一定(ding)有尚未被(bei)發現的(de)力(li)量(liang)在對(dui)抗著(zhu)引力(li)，推動宇宙加(jia)速膨(peng)(peng)脹，暗能(neng)(neng)量(liang)的(de)概念便由此(ci)(ci)而生。

利用“引力透鏡”探測暗物質

雖(sui)然(ran)看(kan)不見，但(dan)暗物質(zhi)、暗能量并非無(wu)跡可尋，它們各有證明自(zi)己存在的方(fang)式。

中(zhong)國科(ke)學(xue)技(ji)術大(da)學(xue)物(wu)理學(xue)院天文學(xue)系教授蔡一(yi)(yi)夫告訴科(ke)技(ji)日(ri)報記者，引(yin)力(li)透(tou)鏡(jing)(jing)(jing)效應是證實暗物(wu)質存在的(de)最(zui)常(chang)用(yong)的(de)方法之一(yi)(yi)。其基本原理是，基于廣義相(xiang)對(dui)論(lun)，光線(xian)會因為(wei)大(da)質量天體(ti)的(de)引(yin)力(li)而(er)產生彎(wan)曲，類似于透(tou)鏡(jing)(jing)(jing)對(dui)于光線(xian)的(de)作(zuo)用(yong)。而(er)如(ru)果在地球(qiu)和極(ji)其遙遠的(de)發光天體(ti)之間存在一(yi)(yi)些引(yin)力(li)源，這些引(yin)力(li)源的(de)引(yin)力(li)場(chang)便會像透(tou)鏡(jing)(jing)(jing)一(yi)(yi)樣，使(shi)經(jing)過其身(shen)邊的(de)光線(xian)發生變化。暗物(wu)質同樣具有(you)引(yin)力(li)，因此其也會對(dui)光線(xian)產生引(yin)力(li)透(tou)鏡(jing)(jing)(jing)效應，從而(er)有(you)機會被我(wo)們探(tan)(tan)測(ce)(ce)到。“通過引(yin)力(li)透(tou)鏡(jing)(jing)(jing)效應來勾勒暗物(wu)質的(de)分(fen)布是目前最(zui)主要的(de)探(tan)(tan)測(ce)(ce)手段(duan)之一(yi)(yi)。”蔡一(yi)(yi)夫說道(dao)。

相較于暗(an)(an)物質，暗(an)(an)能(neng)量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)探測則更(geng)為困難。由(you)于至(zhi)今仍無法確定暗(an)(an)能(neng)量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)來(lai)源(yuan)及特質，科學(xue)家(jia)一直無法直接探測它。蔡一夫表示(shi)，目前(qian)探測暗(an)(an)能(neng)量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)主要方式，仍是(shi)依靠對Ⅰa型超(chao)新星的(de)(de)(de)標準(zhun)燭光(guang)(guang)測距來(lai)實現。宇宙(zhou)的(de)(de)(de)膨脹會拉(la)伸我們與(yu)標準(zhun)燭光(guang)(guang)的(de)(de)(de)距離，我們收到的(de)(de)(de)標準(zhun)燭光(guang)(guang)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)線(xian)會因(yin)此產生紅移(yi)(yi)效(xiao)應(ying)。通過對大量(liang)(liang)(liang)標準(zhun)燭光(guang)(guang)紅移(yi)(yi)數據的(de)(de)(de)收集、分析，天文學(xue)家(jia)將有機會探究(jiu)宇宙(zhou)膨脹的(de)(de)(de)歷史，揭示(shi)暗(an)(an)能(neng)量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)本質。

雖(sui)然(ran)對于(yu)(yu)暗能(neng)(neng)(neng)量的研究至(zhi)今仍無定論，但(dan)關于(yu)(yu)暗能(neng)(neng)(neng)量來(lai)(lai)(lai)源的討論一直是(shi)(shi)天文學界的熱門話題(ti)。有許多科(ke)(ke)(ke)學家認為，黑(hei)(hei)洞(dong)或許就是(shi)(shi)暗能(neng)(neng)(neng)量的來(lai)(lai)(lai)源。不久前，一個國際科(ke)(ke)(ke)研團隊(dui)對星(xing)系(xi)中(zhong)(zhong)央黑(hei)(hei)洞(dong)開展(zhan)觀測，結果表明(ming)黑(hei)(hei)洞(dong)可(ke)能(neng)(neng)(neng)是(shi)(shi)暗能(neng)(neng)(neng)量的來(lai)(lai)(lai)源。在這項(xiang)最新(xin)研究中(zhong)(zhong)，科(ke)(ke)(ke)學家比較(jiao)了擁有中(zhong)(zhong)心黑(hei)(hei)洞(dong)的遙遠星(xing)系(xi)和本地橢圓星(xing)系(xi)的觀測結果，發現(xian)星(xing)系(xi)中(zhong)(zhong)央黑(hei)(hei)洞(dong)的質量比90億年前增長(chang)了7—20倍，如此快速的質量增長(chang)無法用吸積和合并來(lai)(lai)(lai)解(jie)釋，因(yin)此研究者(zhe)大膽引(yin)入暗能(neng)(neng)(neng)量來(lai)(lai)(lai)解(jie)釋這一現(xian)象。

多管齊下尋找蛛絲馬跡

雖然困(kun)難重重，但人(ren)類在(zai)(zai)尋找暗(an)物質、暗(an)能量上一(yi)直沒有放棄(qi)努力。在(zai)(zai)此(ci)次發射(she)歐(ou)幾里得太空望遠鏡前，人(ren)類已(yi)經作(zuo)出諸多嘗試。

在暗(an)(an)物(wu)(wu)(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)探(tan)測(ce)方面，我國發(fa)射(she)的(de)“悟(wu)空(kong)”號暗(an)(an)物(wu)(wu)(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)粒子(zi)探(tan)測(ce)衛(wei)星(xing)是世界上觀測(ce)能段范(fan)圍最(zui)寬、能量(liang)(liang)分(fen)辨率最(zui)優的(de)暗(an)(an)物(wu)(wu)(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)粒子(zi)探(tan)測(ce)衛(wei)星(xing)。其可以(yi)通過測(ce)量(liang)(liang)高(gao)能宇宙射(she)線來發(fa)現(xian)暗(an)(an)物(wu)(wu)(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)的(de)蹤跡。通常(chang)認(ren)為(wei)，宇宙射(she)線的(de)源(yuan)頭(tou)一般是超(chao)新星(xing)爆發(fa)，但(dan)暗(an)(an)物(wu)(wu)(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)湮滅時(shi)也會產生(sheng)宇宙射(she)線。如果能夠發(fa)現(xian)超(chao)新星(xing)爆發(fa)以(yi)外的(de)宇宙射(she)線來源(yuan)，或許可以(yi)間接探(tan)測(ce)到(dao)暗(an)(an)物(wu)(wu)(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)。

除了(le)上天找(zhao)答案，為了(le)尋(xun)找(zhao)暗物(wu)(wu)質(zhi)，人們(men)還深(shen)入地下(xia)數千米(mi)。暗物(wu)(wu)質(zhi)不可見，但它會(hui)和其他物(wu)(wu)質(zhi)發(fa)生碰撞。因此(ci)，當暗物(wu)(wu)質(zhi)和普(pu)(pu)通(tong)物(wu)(wu)質(zhi)的(de)原子(zi)核(he)發(fa)生碰撞后，普(pu)(pu)通(tong)物(wu)(wu)質(zhi)的(de)原子(zi)核(he)會(hui)動(dong)起來，產(chan)生微弱(ruo)信號，科學家能夠通(tong)過檢測這種信號來探測暗物(wu)(wu)質(zhi)的(de)存在。但這種方(fang)法(fa)需要苛刻的(de)實(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)環境(jing)。由于信號實(shi)(shi)在太過微弱(ruo)，為了(le)把宇宙射(she)線本底屏(ping)蔽掉，營造出極純凈(jing)的(de)實(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)環境(jing)，其必須在地下(xia)深(shen)處進行，且深(shen)度(du)越(yue)深(shen)，宇宙射(she)線本底越(yue)低。我國便在四川錦(jin)屏(ping)山(shan)地下(xia)約2400米(mi)建設了(le)地下(xia)實(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)室，其重要目標之一便是(shi)尋(xun)找(zhao)暗物(wu)(wu)質(zhi)。

此(ci)外，劉(liu)佳(jia)也(ye)表(biao)示(shi)，通(tong)過可見物質(zhi)尋找暗(an)物質(zhi)也(ye)是當(dang)今粒(li)子(zi)物理的(de)(de)前(qian)沿熱點問(wen)題(ti)。例如(ru)，暗(an)光(guang)(guang)(guang)子(zi)便(bian)是理論學(xue)家構建的(de)(de)溝通(tong)可見物質(zhi)世界和暗(an)物質(zhi)世界的(de)(de)媒介粒(li)子(zi)之一。不久前(qian)，劉(liu)佳(jia)參與的(de)(de)研究團隊(dui)發現，地(di)球附(fu)近(jin)的(de)(de)超輕暗(an)光(guang)(guang)(guang)子(zi)暗(an)物質(zhi)能(neng)夠(gou)誘(you)導(dao)射電望遠鏡(jing)反射板上(shang)電子(zi)的(de)(de)振蕩，產生(sheng)可觀測的(de)(de)射電信號，另外偶極射電望遠鏡(jing)能(neng)夠(gou)直(zhi)接(jie)與這種(zhong)暗(an)物質(zhi)產生(sheng)射電信號。基于這種(zhong)現象，研究團隊(dui)提出了(le)一種(zhong)利(li)用(yong)射電望遠鏡(jing)直(zhi)接(jie)探測地(di)球附(fu)近(jin)暗(an)光(guang)(guang)(guang)子(zi)暗(an)物質(zhi)的(de)(de)新方法。

而在暗(an)能量探測(ce)領域，不(bu)久前(qian)中(zhong)國科學(xue)院國家天文臺參與(yu)的(de)暗(an)能量光譜(pu)巡天國際合作項目（DESI）向全球發布了首(shou)批科學(xue)數據，包括了120萬(wan)(wan)個河外星(xing)系、類(lei)星(xing)體及(ji)50萬(wan)(wan)顆銀河系恒星(xing)的(de)光譜(pu)。該項目計劃在5年內獲取超(chao)4000萬(wan)(wan)個星(xing)系的(de)光譜(pu)數據，旨(zhi)在構造(zao)出三(san)維宇宙空間的(de)物質(zhi)分布，揭示暗(an)能量的(de)本質(zhi)以及(ji)宇宙膨脹(zhang)歷史。

相(xiang)比于此(ci)前探測(ce)暗物質、暗能量的(de)儀器，歐幾(ji)里(li)得(de)太空望遠鏡的(de)優(you)勢是(shi)大而精。其(qi)(qi)觀測(ce)范(fan)圍足夠(gou)寬廣，能夠(gou)覆蓋超過三分(fen)之(zhi)一(yi)的(de)天空，并(bing)可以(yi)對(dui)其(qi)(qi)中10億個星系(xi)分(fen)門別類繪制宇宙圖譜(pu)。“歐幾(ji)里(li)得(de)太空望遠鏡的(de)突破在于其(qi)(qi)所獲得(de)的(de)高清超大面積巡天數據，可以(yi)提高引力透鏡，特別是(shi)弱引力透鏡測(ce)量精度，使其(qi)(qi)統計誤差顯(xian)著降低。”蔡(cai)一(yi)夫介紹。

通過對數十億星(xing)系的(de)精確觀測，歐幾里得太空(kong)望遠鏡將創(chuang)建(jian)包(bao)含星(xing)系形狀、位置和運(yun)動狀況等(deng)信息(xi)在內(nei)的(de)，迄今最(zui)大、最(zui)精確的(de)宇宙“3D地圖”，幫助天文(wen)學家推(tui)斷宇宙暗能(neng)量(liang)和暗物質的(de)屬性，進(jin)一步加深對宇宙本質的(de)了解(jie)。

來源：科技日報