暗物質(zhì)的研究歷程

2016/11/11 14:29:40

21世紀(jì)初科學(xué)最大的謎是暗物質(zhì)和暗能量。暗物質(zhì)存在于人類(lèi)已知的物質(zhì)之外，人們知道它的存在，但不知道它是什么，它的構(gòu)成也和人類(lèi)已知的物質(zhì)不同。在宇宙中，暗物質(zhì)的能量是人類(lèi)已知物質(zhì)的能量的5倍以上。暗物質(zhì)的總質(zhì)量是普通物質(zhì)的6.3倍，在宇宙能量密度中占了1/4，同時(shí)更重要的是，暗物質(zhì)主導(dǎo)了宇宙結(jié)構(gòu)的形成。暗物質(zhì)的本質(zhì)還是個(gè)謎。科學(xué)家認(rèn)為，整個(gè)宇宙有84.5%是由暗物質(zhì)構(gòu)成，但一直未能證明其存在。已有不少天文學(xué)家認(rèn)為，宇宙中90%以上的物質(zhì)是以“暗物質(zhì)”的方式隱藏著。天文學(xué)家們稱(chēng)，根據(jù)當(dāng)前一些統(tǒng)計(jì)資料顯示，我們平常看不見(jiàn)的暗物質(zhì)很可能占有宇宙所有物質(zhì)總量的95%，而人類(lèi)可以看到的物質(zhì)只占宇宙總物質(zhì)量的不到10%。

20世紀(jì)30年代，荷蘭天體物理學(xué)家?jiàn)W爾特指出：為了說(shuō)明恒星的運(yùn)動(dòng)，需要假定在太陽(yáng)附近存在著暗物質(zhì)；同年代，茨維基從室女星系團(tuán)諸星系的運(yùn)動(dòng)的觀測(cè)中，也認(rèn)為在星系團(tuán)中存在著大量的暗物質(zhì)；美國(guó)天文學(xué)家巴柯的理論分析也表明，在太陽(yáng)附近，存在著與發(fā)光物質(zhì)幾乎同等數(shù)量看不見(jiàn)的物質(zhì)。

1930年初，瑞士天文學(xué)家扎維奇發(fā)表了一個(gè)驚人結(jié)果：在星系團(tuán)中，看得見(jiàn)的星系只占總質(zhì)量的1/300以下，而99%以上的質(zhì)量是看不見(jiàn)的。不過(guò)，扎維奇的結(jié)果許多人并不相信。

自20世紀(jì)70年代以來(lái)，科學(xué)家們根據(jù)對(duì)許多大型天體之間，如星系之間的引力效果的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，常規(guī)物質(zhì)不可能引起如此大的引力，因此暗物質(zhì)的存在理論被廣泛認(rèn)同。

2006年1月6日?qǐng)?bào)道，劍橋大學(xué)天文研究所的科學(xué)家們?cè)跉v史上第一次成功確定了廣泛分布在宇宙間的暗物質(zhì)的部分物理性質(zhì)。從事此項(xiàng)研究的科學(xué)家們已準(zhǔn)備將此項(xiàng)研究結(jié)果公開(kāi)發(fā)表。

2006年，美國(guó)天文學(xué)家利用錢(qián)德拉X射線望遠(yuǎn)鏡對(duì)星系團(tuán)1E 0657-56進(jìn)行觀測(cè)，無(wú)意間觀測(cè)到星系碰撞的過(guò)程，星系團(tuán)碰撞威力之猛，使得黑暗物質(zhì)與正常物質(zhì)分開(kāi)，因此發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)存在的直接證據(jù)。天文學(xué)家推測(cè)，宇宙中最重要的成分是暗物質(zhì)和暗能量，暗物質(zhì)占宇宙25%，暗能量占70%，通常所觀測(cè)到的普通物質(zhì)只占宇宙質(zhì)量的5%。因此，探測(cè)和研究暗物質(zhì)很可能導(dǎo)致物理學(xué)界新的革命。

2007年1月，暗物質(zhì)分布圖終于誕生了！經(jīng)過(guò)4年的努力，70位研究人員繪制出這幅三維的“藍(lán)圖”，勾勒出相當(dāng)于從地球上看，8個(gè)月亮并排所覆蓋的天空范圍中暗物質(zhì)的輪廓。這張圖是通過(guò)引力透鏡原理獲得的。馬賽天文物理實(shí)驗(yàn)室的讓-保羅·克乃伯(Jean-Paul Kneib)參加了這張分布圖的繪制工作，他認(rèn)為這種“面包丁”的形狀自25億年以來(lái)就沒(méi)有很大改變，所以我們看到的也就是暗物質(zhì)的形狀。

2007年5月16日出版的《天體物理學(xué)雜志》稱(chēng)，約翰斯·霍普金斯大學(xué)天文學(xué)家小組利用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，探測(cè)到了位于遙遠(yuǎn)星系團(tuán)中呈環(huán)狀分布的暗物質(zhì)。天文學(xué)家們稱(chēng)，這是迄今為止能證明暗物質(zhì)存在的最強(qiáng)有力的證據(jù)。這一重大發(fā)現(xiàn)刊登在上。 研究小組成員、天文學(xué)家詹姆斯·杰說(shuō)，“這是第一次探測(cè)到有著獨(dú)特結(jié)構(gòu)的暗物質(zhì)，它的環(huán)狀結(jié)構(gòu)與星系團(tuán)內(nèi)部星系以及熱氣體的結(jié)構(gòu)截然不同”。這將有助于天文學(xué)家分析暗物質(zhì)與普通物質(zhì)的區(qū)別，理解引力作用是如何影響暗物質(zhì)的。

2009年12月21日，科學(xué)家在Souden煤礦中發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)，這是迄今為止最有力的發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)證據(jù)。其他實(shí)驗(yàn)也在探尋來(lái)自暗物質(zhì)的信號(hào)，比如地下氙（Lux）實(shí)驗(yàn)。美國(guó)費(fèi)米太空望遠(yuǎn)鏡則試圖定位暗物質(zhì)，尋找其在空間湮沒(méi)（暗物質(zhì)發(fā)生碰撞時(shí)，兩個(gè)粒子將生成可以被探測(cè)器接收到的γ射線）的證據(jù)，但目前沒(méi)有任何發(fā)現(xiàn)。

2010年12月12日，中國(guó)首個(gè)極深地下實(shí)驗(yàn)室——“中
暗物質(zhì)
暗物質(zhì)國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室”于在四川雅礱江錦屏水電站揭牌并投入使用，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室垂直巖石覆蓋達(dá)2400米，是當(dāng)前世界巖石覆蓋最深的實(shí)驗(yàn)室。它的建成標(biāo)志著中國(guó)已經(jīng)擁有了世界一流的潔凈的低輻射研究平臺(tái)，能夠自主開(kāi)展像暗物質(zhì)探測(cè)這樣的國(guó)際最前沿的基礎(chǔ)研究課題。清華大學(xué)實(shí)驗(yàn)組的暗物質(zhì)探測(cè)器已經(jīng)率先進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，并啟動(dòng)探測(cè)工作，而2012年上海交通大學(xué)等研究團(tuán)隊(duì)也將進(jìn)入這里開(kāi)展暗物質(zhì)的探測(cè)研究。

2011年5月，意大利暗物質(zhì)探測(cè)無(wú)果，該研究結(jié)果質(zhì)疑其它發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的結(jié)果。有科學(xué)研究表明，大麥哲倫星系（距銀河系約16萬(wàn)光年）未被銀河系的引力撕碎的原因可能是因?yàn)榘滴镔|(zhì)的影響，使大麥哲倫星系幸免于難。

日內(nèi)瓦時(shí)間2013年4月3日下午5點(diǎn)（北京時(shí)間2013年4月4日零點(diǎn)），諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者丁肇中教授在日內(nèi)瓦歐洲核子中心，首次公布其領(lǐng)導(dǎo)的阿爾法磁譜儀（AMS）項(xiàng)目18年之后的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果——已發(fā)現(xiàn)的40萬(wàn)個(gè)正電子可能來(lái)自一個(gè)共同之源，即脈沖星或人們一直尋找的暗物質(zhì)。

至2013年，尋找暗物質(zhì)粒子、研究暗能量的物理本質(zhì)、探索宇宙起源及演化的奧秘、結(jié)合粒子物理和宇宙學(xué)的研究已成為21世紀(jì)天文學(xué)和物理學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者李政道教授曾多次指出：“暗物質(zhì)是籠罩20世紀(jì)末和21世紀(jì)初現(xiàn)代物理學(xué)的最大烏云，它將預(yù)示著物理學(xué)的又一次革命。”

2013年4月18日，美國(guó)物理學(xué)會(huì)的科學(xué)家報(bào)告稱(chēng)，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)大質(zhì)量弱相互作用粒子的信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到3個(gè)西格瑪水平，他們發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的可能性達(dá)到99.8%。

2013年4月，當(dāng)?shù)貢r(shí)間3日，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、華裔物理學(xué)家丁肇中及其阿爾法磁譜儀項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)宣布的成果，讓人類(lèi)在認(rèn)識(shí)暗物質(zhì)的道路上邁出重要一步。丁肇中團(tuán)隊(duì)借助阿爾法磁譜儀已發(fā)現(xiàn)40萬(wàn)個(gè)正電子，這些正電子可能來(lái)自人類(lèi)一直尋找的暗物質(zhì)（正電子是反物質(zhì)，和暗物質(zhì)是完全不同的概念）。阿爾法磁譜儀首批研究成果“將有助于促進(jìn)對(duì)基礎(chǔ)物理學(xué)和天體物理學(xué)領(lǐng)域新的理解”，“我們期盼更多來(lái)自這一項(xiàng)目的令人激動(dòng)的成果”。阿爾法磁譜儀(AMS)項(xiàng)目重大成果，該成果有可能證明暗物質(zhì)確實(shí)存在。

北京時(shí)間2014年9月18日，程林教授團(tuán)隊(duì)與丁肇中合作的AMS項(xiàng)目重大成果發(fā)布會(huì)在瑞士日內(nèi)瓦舉行，丁肇中主持的實(shí)驗(yàn)室公布AMS項(xiàng)目最新研究成果，宇宙射線中過(guò)量的正電子可能來(lái)自暗物質(zhì)。丁肇中特委托山東大學(xué)程林教授在國(guó)內(nèi)發(fā)布有關(guān)成果。在已完成的觀測(cè)中，證明暗物質(zhì)存在實(shí)驗(yàn)的6個(gè)有關(guān)特征中，已有5個(gè)得到確認(rèn)。