日前，歐洲航天局公布了歐幾里得太空望遠鏡獲得的多遠得望第一批全彩宇宙圖像。通過深入研究這些圖像數據，歐里科學家有望從中尋找出暗物質與暗能量存在的遠鏡宇宙蛛絲馬跡。
約占宇宙物質總量95%的全新暗物質被稱為宇宙的神秘“引力膠”。尋找暗物質是百億當今物理研究最前沿的探索之一。為此，年前科學家們正竭盡所能尋找問題答案，圖像透露盡管暗物質如此撲朔迷離，暗物但為了通向認識浩渺宇宙的多遠得望新境地，他們不會放棄。歐里
——編者
據估計，遠鏡宇宙宇宙中大約95%的全新物質是一種非常奇特的存在，它不會反射光、百億不會發(fā)射光，年前也不會吸收光，因此它被稱為“暗物質”。這種存在于假設中的物質是宇宙中唯一能與引力相互作用的力量，因此對它的探測非常困難。
美國得克薩斯大學奧斯汀分校的天體物理學家凱瑟琳·弗里茲說：“上世紀80年代，我在發(fā)表關于暗物質的演講時，曾預言人類將在10年內找到這個問題的答案。如今幾十年過去了，我們仍在尋找答案。”
多年來，科學家們一直在試圖確定暗物質究竟是什么、它是由什么組成的，好像一群黑暗叢林中期待捕獲狡兔的獵人。面對這一宇宙難解之謎，暗物質“獵人”的搜尋工作也變得越來越有創(chuàng)意。他們尋找暗物質的方法包括將液態(tài)氙大桶深埋于地下，測量閃電的平直度，探測礦物的納米級爆炸，檢測古老巖石中留下的暗物質痕跡，以及分析歐幾里得、韋伯等太空望遠鏡對暗恒星、矮星系的觀測結果。
謎般暗物質
宇宙星系的神秘“引力膠”
宇宙中存在暗物質的最早線索發(fā)現于上世紀30年代。當時，天文學家注意到了一些奇怪的現象：一些星系團的旋轉速度遠遠超過了它們應有的速度。
根據物理學家對引力和動力學的理解，在如此快速的旋轉速度下，星系團的一部分或許會被拋到太空深處，而事實上，它們卻一直緊緊相依在一起，并不會分開。瑞士天文學家弗里茨·茲威基認為，宇宙間可能有一些我們看不見的物質，它將所有物質“粘”在了一起。
雖然有此推測，但在茲威基的那個時代，尋找暗物質的工作并沒有真正開始，因為“宇宙存在暗物質”的假設一直受到很多質疑。直到上世紀70年代，美國華盛頓卡內基科學研究所的維拉·魯賓和肯特·福特在研究仙女座星系時得到了一個驚人發(fā)現。
這兩位科學家注意到，正如茲威基所觀察到的那樣，仙女座星系圍繞中心旋轉的速度比預期的要快得多。按照這樣的旋轉速度，一些星際物質會被甩出來，但它們實際上卻仍然穩(wěn)穩(wěn)地守在原先的位置上——顯然，太空中有什么東西將它們“粘”在了一起。
科學家搜尋暗物質的努力也從這時正式啟動。魯賓曾預測，科學家將在十年內找到這種神秘的宇宙“粘合劑”?？芍钡浆F在，人們仍然沒能揭開這種神秘物質的面紗。
在這幾十年間，科學家已經排除了一些可能的候選者。例如，通過對宇宙遙遠深處的探測可以確定，暗物質不可能由被稱為“大質量致密光暈天體”的大質量行星或黑洞組成。因為假如是這樣的話，我們就有可能看到這些物體會以可預測的方式彎曲光線。
過去40年間，物理學家花費大量時間尋找另一位暗物質候選者：弱相互作用大質量粒子（WIMPs），一種可能是粒子物理學標準模型中未被發(fā)現的粒子。
WIMPs似乎擁有人們想象中的暗物質的所有屬性。除此之外，它們還有一個非常可取的優(yōu)點：如果這些粒子的軌道碰巧與原子核相撞，那么這種相撞正好可以被專門建造的探測器捕捉到。也就是說，如果給予WIMPs一個合適的推力，那么原子核的反沖能量就會以人們可以觀測到的閃光形式釋放出來。
要得到這樣的探測結果，就需要大量的“大個兒”原子核。為此，物理學家設計和建造了許多超冷液態(tài)氙大桶，準備并等待來自WIMPs的沖擊。這類實驗被廣泛認為是尋找暗物質的最佳選擇。意大利格蘭薩索實驗室的達爾文探測器計劃是這類研究中最新的一個，該計劃將使用50噸氙氣，而氙氣的全球年產量大約也只有70噸。
尋找WIMPs的棘手之處在于，它們越輕，就越難被發(fā)現。目前大多數檢測方法的主要依據是，WIMPs擁有一定的最小質量，大約為10個電子。英國達勒姆大學的馬丁·鮑爾說：“探測器在地下等待暗物質粒子撞擊氙原子并使其擺動，但如果粒子實在太輕，氙原子就不會產生反作用?！?/p>
但鮑爾提到，這種檢測方法有一個問題，太陽產生的中微子以每秒數萬億的數量穿過地球，它們也會在液氙中留下痕跡，“這些痕跡會與極輕的WIMPs混雜在一起，很難將它們分清，也沒有辦法可以屏蔽掉太陽發(fā)射的中微子”。
考古混搭天文
尋找暗物質奇招迭出
為了尋找暗物質，科學家可謂奇思妙想頻出。從地球過往歷史中尋找線索，這可以說是自從古代巨石陣考古發(fā)現以來，考古學與天文學最具影響力的結合。
這個構想其實很簡單，WIMPs偶爾會將地幔深處巖鹽或礦石晶體中的原子核撞離原位。這類事件如果在歷史上曾經發(fā)生過，那么這些原子間的位移會在古代巖石中留下雖然非常微小但可識別的痕跡，而科學家有可能利用X射線或氦離子束顯微鏡等現代技術看到這些位移。
對暗物質打破常規(guī)的探索途徑，將多學科的科學家聚集到了一起?！暗厍蛭锢韺W家會告訴我們應該尋找哪些巖石，然后我們從中尋找暗物質留下的痕跡，但有這種痕跡的巖石不會太多。”弗里茲說。而且，這樣的巖石一旦被提取出來，宇宙射線即刻也會開始在其上留下納米級的類似軌跡，雖然仍有可能將這些痕跡與WIMPs以及自然產生的鈾釋放裂變產物留下的痕跡區(qū)別開來，但暗物質考古“獵人”也必須迅速采取行動，以減少這些“噪聲”的影響。
作為一名暗物質“獵人”，弗里茲熱愛尋找暗物質的工作，并已堅持幾十年。她一直致力于發(fā)現各種粒子的研究和探索，“大體上我們什么都沒看到，但按照我們的方法是最容易找到它們的。我不會放棄，尋找暗物質的過程充滿了樂趣”。
一些研究人員開始對另一些暗物質假設粒子進行研究，例如軸子。與WIMPs不同，軸子起初受到關注，并不是因為被納入暗物質探索的視線范圍，而是因為要解決實驗數據和量子理論不太匹配的某種異常現象。不過，軸子應該也具備一些與暗物質相關的特性。目前，科學家正在利用強磁場將軸子轉化為微波光子，同時也在觀察來自太陽的光子或軸子對磁力計的影響等。
此外，還有一些人開始對標準模型中的粒子“暗領域”進行搜索。例如，研究人員向目標粒子發(fā)射高強度電子束，期待它們發(fā)射出無質量的“暗光子”。雖然這不完全等同于暗物質，但卻可以說明“暗領域”是真實存在的，并促使人們去尋找其他暗物質粒子。
事實上，粒子并不是暗物質“獵人”們的唯一目標。弗里茲搜尋的目標還有“暗星”，它們可能是早期宇宙中形成的暗物質球。有一種假說認為，暗物質粒子相互作用會導致湮滅，但如果暗物質這種相互作用即使非常小也能夠釋放出足夠大的能量，那么在我們所熟悉的恒星開始發(fā)光前很久，它們就已形成了“暗星”。
正如弗里茲和她的同事所報告的那樣，韋伯太空望遠鏡（JWST）可以發(fā)現這些被稱為“暗星”的恒星，但由于它們在膨脹的宇宙中離我們很遠，發(fā)出的光比不那么古老的恒星更紅?！癑WST已經在高紅移區(qū)發(fā)現了許多明亮的天體，一旦我們能夠獲知這些天體的光譜信息，當相關數據傳回時，我們也許會問，這會是一顆暗星嗎？”她說。
最近，歐洲航天局發(fā)布的歐幾里得太空望遠鏡所獲得的首批全彩圖像也表明，在百億年前的宇宙深處找到暗物質蹤跡的各種可能性非常大。不過，也有專家認為這都會是徒勞。例如，美國俄亥俄州凱斯西儲大學的薩西·麥高幾十年前就放棄了對暗物質的搜尋，如今他正在尋找另一種解釋星系旋轉速度異常的途徑。
探尋前路未卜
天文學家仍將堅持
麥高是“修正牛頓動力學（MOND）”理論的支持者，該理論提議重新定義牛頓萬有引力定律。麥高認為，在許多情況下，它比暗物質更能與觀測數據相匹配,“你可以觀察星系及其質量分布，可以用MOND來預測天體的運動方式，但暗物質做不到?！?/p>
但大多數天體物理學家并不認同這個觀點，因為MOND不足以解釋大爆炸遺留下輻射的特征，即宇宙微波背景輻射。“他們從來沒有證明MOND可以解釋我們所有的基本觀測結果。”美國加州理工學院的凱瑟琳·楚雷克說。
和楚雷克一樣，大多數天文學家并不打算放棄尋找暗物質的努力。英國天文學家羅亞爾·馬丁-里斯說，一些可能性被排除了，但還有更多可能性。去年底，科學家在南極釋放飛艇，在35天的飛行中，它所搭載的設備會從太空流向地球的宇宙射線流中發(fā)現反質子——相當于質子的反物質。根據暗領域模型預測，在這種粒子流中應存在低能反質子，科學家若能從任何探測結果中有所發(fā)現，都將令人興奮。
楚雷克說，即使什么都沒發(fā)現，也不用太失望，尋找暗物質的研究規(guī)模相對較小，這方面投入遠遠少于高能物理或量子計算研究。“另外，在探索暗物質的過程中，我們也在學習一些東西，比如不要對大自然的行為作出太武斷的判斷，這種態(tài)度很有用，可以讓我們始終保持開放的心態(tài)?！?/p>
沒有人知道暗物質何時、如何被發(fā)現，甚至是否最終會被發(fā)現。但楚雷克對此持樂觀態(tài)度，“我想如果運氣好的話，我們有可能會找到它。但如果我們不去尋找，我們肯定不會有機會發(fā)現”。