都芃

當(dāng)我們抬頭仰望星空，能看到繁星的點(diǎn)點(diǎn)光芒布滿天穹。但在這些我們能看到的微光之外，宇宙實(shí)則被更多的“黑暗”填充?？茖W(xué)家認(rèn)為，宇宙總質(zhì)能的95% 是由人類看不見、摸不著的暗物質(zhì)和暗能量組成的。它們組成的宇宙“黑暗家族”不發(fā)出任何信號(hào)，極難被探測(cè)，但充斥在整個(gè)宇宙空間，成為人們最想破解的謎團(tuán)之一。

2023 年7 月1 日，歐幾里得太空望遠(yuǎn)鏡在美國佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角發(fā)射升空。該望遠(yuǎn)鏡將觀測(cè)100億光年范圍內(nèi)的數(shù)十億個(gè)星系，創(chuàng)建迄今最大、最精確的宇宙3D 地圖，試圖揭開困擾人類許久的暗物質(zhì)和暗能量之謎。

暗物質(zhì)和暗能量的發(fā)現(xiàn)史

想要理解暗物質(zhì)和暗能量，首先要解釋清楚一個(gè)“悖論”，即暗物質(zhì)、暗能量既然極難被察覺，人類最初又是如何確定它們存在的呢？

20世紀(jì)30年代，瑞典天文學(xué)家在研究中發(fā)現(xiàn)，后發(fā)座星系團(tuán)中星系的速度彌散度非常大，這意味著這個(gè)星系團(tuán)中不同星系的運(yùn)行速度有著很大的差別。對(duì)星系團(tuán)中那些運(yùn)行速度極快的星系來說，僅靠星系團(tuán)中發(fā)光物質(zhì)的質(zhì)量，不足以束縛住它們?nèi)绱司薮蟮倪\(yùn)行速度。研究者根據(jù)位力定理（廣泛用于描述自引力系統(tǒng)在平衡狀態(tài)下不同形式的能量之間的關(guān)系）計(jì)算出的星系團(tuán)總質(zhì)量，要遠(yuǎn)大于根據(jù)發(fā)光度計(jì)算出的星系團(tuán)質(zhì)量。因此，天文學(xué)家大膽推測(cè)，在星系團(tuán)中還存在著大量不發(fā)光但有質(zhì)量的物質(zhì)，并將其稱為暗物質(zhì)。

如果打一個(gè)通俗的比喻，暗物質(zhì)或許就像一個(gè)黑暗房間中的大象，它龐大的身軀填滿了整個(gè)房間。但由于其本身并不發(fā)出任何光亮和信號(hào)，因此人們無從得知它的存在，只能看見它頭頂電燈發(fā)出的一點(diǎn)兒微光，并誤以為那是房間內(nèi)的全部存在。

“暗物質(zhì)是一種在天文觀測(cè)中被發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)，具有引力作用，但不發(fā)光。對(duì)暗物質(zhì)的粒子物理性質(zhì)研究，是當(dāng)前粒子物理和宇宙學(xué)最重要的研究課題之一?！北本┐髮W(xué)物理學(xué)院研究員劉佳介紹。暗物質(zhì)雖然不可見，但能夠被稱為“物質(zhì)”，是因?yàn)槠渚邆湮镔|(zhì)的基本特征，例如暗物質(zhì)有質(zhì)量、有引力，并且也有可能與其他粒子發(fā)生接觸、碰撞。

相較于暗物質(zhì)，暗能量則更加令人捉摸不透。

天文學(xué)家在20世紀(jì)末才真正認(rèn)可暗能量的存在。暗能量概念的提出與宇宙加速膨脹理論密不可分。在過去很長一段時(shí)間內(nèi)，天文學(xué)家普遍相信，由于天體間引力的存在，宇宙的膨脹速度在逐漸放緩。但在20世紀(jì)末，多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)通過對(duì)不同距離、被稱為宇宙標(biāo)準(zhǔn)燭光的Ia 型超新星進(jìn)行觀測(cè)后發(fā)現(xiàn)，地球與這些標(biāo)準(zhǔn)燭光的距離正在加速變遠(yuǎn)，即我們的宇宙正在加速膨脹。

明明引力能夠拉近天體間的距離，為什么宇宙仍然在加速膨脹？天文學(xué)家據(jù)此認(rèn)為，一定有尚未被發(fā)現(xiàn)的力量在對(duì)抗著引力，推動(dòng)宇宙加速膨脹，暗能量的概念便由此而生。

利用引力透鏡探測(cè)暗物質(zhì)

雖然看不見，但暗物質(zhì)、暗能量并非完全無跡可尋，它們各有證明自己存在的方式。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院天文學(xué)系教授蔡一夫說，引力透鏡效應(yīng)是證實(shí)暗物質(zhì)存在的最常用的方法之一。其基本原理是，基于廣義相對(duì)論，光線會(huì)因?yàn)榇筚|(zhì)量天體的引力而產(chǎn)生彎曲，類似于透鏡對(duì)光線的作用。如果在地球和極其遙遠(yuǎn)的發(fā)光天體之間存在一些引力源，那么這些引力源的引力場(chǎng)便會(huì)像透鏡一樣，使經(jīng)過其身邊的光線發(fā)生變化。暗物質(zhì)同樣具有引力，因此也會(huì)對(duì)光線產(chǎn)生引力透鏡效應(yīng)，從而有機(jī)會(huì)被我們探測(cè)到?！巴ㄟ^引力透鏡效應(yīng)來勾勒暗物質(zhì)的分布，是目前最主要的探測(cè)手段之一?！辈桃环蛘f道。

相較于暗物質(zhì)，暗能量的探測(cè)則更為困難。由于至今仍無法確定暗能量的來源及特質(zhì)，科學(xué)家一直無法直接探測(cè)它。蔡一夫表示，目前探測(cè)暗能量的主要方式仍是依靠對(duì)Ia型超新星的標(biāo)準(zhǔn)燭光測(cè)距來實(shí)現(xiàn)的。宇宙的膨脹會(huì)拉伸我們與標(biāo)準(zhǔn)燭光的距離，我們收到的標(biāo)準(zhǔn)燭光的光線會(huì)因此產(chǎn)生紅移效應(yīng)。通過對(duì)大量標(biāo)準(zhǔn)燭光紅移數(shù)據(jù)的收集、分析，天文學(xué)家將有機(jī)會(huì)探究宇宙膨脹的歷史，揭示暗能量的本質(zhì)。

雖然對(duì)暗能量的研究至今仍無定論，但關(guān)于暗能量來源的討論一直是天文學(xué)界的熱門話題。有許多科學(xué)家認(rèn)為，黑洞或許就是暗能量的來源。2023年2月，一個(gè)國際科研團(tuán)隊(duì)對(duì)星系中央黑洞開展觀測(cè)，結(jié)果表明黑洞可能是暗能量的來源。在這項(xiàng)研究中，科學(xué)家比較了擁有中心黑洞的遙遠(yuǎn)星系和本地橢圓星系的觀測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)星系中央黑洞的質(zhì)量比90億年前增長了7～20倍，如此快速的質(zhì)量增長無法用吸積和并合來解釋，因此研究者大膽引入了暗能量來解釋這一現(xiàn)象。

多管齊下尋找蛛絲馬跡

雖然困難重重，但人類在尋找暗物質(zhì)、暗能量上一直沒有放棄努力。在此次發(fā)射歐幾里得太空望遠(yuǎn)鏡前，人類已經(jīng)做出了諸多嘗試。

在暗物質(zhì)探測(cè)方面，我國發(fā)射的悟空號(hào)暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星，是目前世界上觀測(cè)能段范圍最寬、能量分辨率最優(yōu)的暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星。悟空號(hào)可以通過測(cè)量高能宇宙射線來發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的蹤跡。通常認(rèn)為，宇宙射線的源頭一般是超新星爆發(fā)，但暗物質(zhì)湮滅時(shí)也會(huì)產(chǎn)生宇宙射線。如果能夠發(fā)現(xiàn)超新星爆發(fā)以外的宇宙射線來源，或許可以間接探測(cè)到暗物質(zhì)。

為了尋找暗物質(zhì)，除了上天找答案，人們還深入地下數(shù)千米。暗物質(zhì)不可見，但它會(huì)和其他物質(zhì)發(fā)生碰撞。因此，當(dāng)暗物質(zhì)和普通物質(zhì)的原子核發(fā)生碰撞后，普通物質(zhì)的原子核會(huì)動(dòng)起來，產(chǎn)生微弱信號(hào)，科學(xué)家就能夠通過檢測(cè)這種信號(hào)來探測(cè)暗物質(zhì)的存在。但這種方法需要苛刻的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。由于信號(hào)實(shí)在太過微弱，為了把宇宙射線本底屏蔽掉，營造出極純凈的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，就必須在地下深處進(jìn)行，且深度越深，宇宙射線本底越低。我國便在四川錦屏山地下約2400米建設(shè)了地下實(shí)驗(yàn)室，其重要目標(biāo)之一便是尋找暗物質(zhì)。

此外，劉佳也表示，通過可見物質(zhì)尋找暗物質(zhì)，也是當(dāng)今粒子物理的前沿?zé)狳c(diǎn)問題。例如，暗光子便是理論學(xué)家構(gòu)建的溝通可見物質(zhì)世界和暗物質(zhì)世界的媒介粒子之一。不久前，劉佳參與的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，地球附近的超輕暗光子暗物質(zhì)能夠誘導(dǎo)射電望遠(yuǎn)鏡反射板上電子的振蕩，產(chǎn)生可觀測(cè)的射電信號(hào)。另外，偶極射電望遠(yuǎn)鏡能夠直接與這種暗物質(zhì)產(chǎn)生射電信號(hào)?；谶@種現(xiàn)象，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種利用射電望遠(yuǎn)鏡直接探測(cè)地球附近暗光子、暗物質(zhì)的新方法。

在暗能量探測(cè)領(lǐng)域，不久前，中國科學(xué)院國家天文臺(tái)參與的暗能量光譜巡天國際合作項(xiàng)目向全球發(fā)布了首批科學(xué)數(shù)據(jù)，包括了120萬個(gè)河外星系、類星體及50萬顆銀河系恒星的光譜。該項(xiàng)目計(jì)劃在5年內(nèi)獲取超4000萬個(gè)星系的光譜數(shù)據(jù)，旨在構(gòu)造出三維宇宙空間的物質(zhì)分布，揭示暗能量的本質(zhì)及宇宙膨脹歷史。

相比于此前探測(cè)暗物質(zhì)、暗能量的儀器，歐幾里得太空望遠(yuǎn)鏡的優(yōu)勢(shì)是大而精。其觀測(cè)范圍足夠?qū)拸V，能夠覆蓋超過1/3的天空，并可以對(duì)其中10億個(gè)星系分門別類地繪制宇宙圖譜?！皻W幾里得太空望遠(yuǎn)鏡的突破在于其獲得的高清、超大面積巡天數(shù)據(jù)，可以提高引力透鏡，特別是弱引力透鏡的測(cè)量精度，使其統(tǒng)計(jì)誤差顯著降低?！辈桃环蚪榻B。

通過對(duì)數(shù)十億個(gè)星系的精確觀測(cè)，歐幾里得太空望遠(yuǎn)鏡將創(chuàng)建包含星系形狀、位置和運(yùn)動(dòng)狀況等信息在內(nèi)的，迄今最大、最精確的宇宙3D地圖，幫助天文學(xué)家推斷宇宙暗能量和暗物質(zhì)的屬性，進(jìn)一步加深人類對(duì)宇宙本質(zhì)的了解。