银河系为什么能高速旋转？宇宙幽灵暗物质提供引力势能

来源：未来论坛

2019年，诺贝尔物理学奖分别授予了两个领域：一个是行星动力学的领域，另外一个是给了宇宙学。宇宙学的获奖者的名字叫詹姆斯·皮布尔斯，他从60年代开始，对宇宙学做出了一系列开创性的工作，用一个自洽、完整的精确描述了宇宙从最早的大爆炸一直到今天的演化历史。他把微观的粒子物理和宏观的宇宙学联系在一起。

根据这个“物理宇宙学模型”，当前占宇宙组分27%的看不见的暗物质，是宇宙演化的必要因素，甚至可以说是推动了宇宙的演化进程。

银河系为何能高速旋转？

为了解释银河系的银盘为何能够如此高速旋转，需要用一个巨大的暗物质晕笼罩着银河系，中间蕴藏着的暗物质就给银河系中高速旋转的星系提供了引力势能。如果我们把每颗星（包括太阳系）绕着银河系中心的旋转都观测出来的话，就能把暗物质的分布推算出来。

我们今天知道，在太阳轨道附近暗物质的密度，大约是1/3个质子的质量每毫升！质子的质量是10的负27次方千克。暗物质的密度比空气密度要低21个数量级，1后面要跟21个零！

你可能会问，这么稀薄的暗物质，比空气低这么多数量级，为什么会影响银河系的演化呢？答案是这样的，这样稀薄的暗物质对小尺度肯定没有影响，但是当它聚集到很大、大于银河系的尺度，就可以像粘合剂一样把银河系粘在一起，宇宙才能够形成今天这个样子。　

今天，我们真正想了解的并不是暗物质在天文学、宇宙中的表象，我们更想理解暗物质到底是什么？就像我们已知的所有东西，人也好、动物也好，细菌也好，病毒也好，不停往下分，分到最后的话，最后就分成所谓的基本粒子，比如电子、质子这些了。每一个电子长得一模一样，虽然质子并不是最基本的，质子下面还有夸克，但是组成它们的上夸克总是一样的，下夸克总是一样的，也就是存在最小的、不可分割的单元。　

给暗物质画“肖像”

同样，暗物质本质的研究，就是要给一个最不可分割的暗物质基本粒子来画肖像，了解它的质量是什么样、电荷是什么样（应该为零）、自旋是什么、相互作用的强度是什么，这就是我们想做的研究。

如果暗物质和普通物质之间，除了引力相互作用之外还有一种微观的相互作用，比如上世纪70年代就开始流行的弱相互作用重粒子（WIMP）的理论，这种暗物质的粒子就可以在实验室更加精细的研究。

总的来说有实验上有三种主要手段，一种叫做直接碰撞；第二种是测量他们被“破坏”之后的产物；第三种是在很高能的加速器上把暗物质产生出来，我们通常称为这直接探测、间接探测和对撞机探测。

今天最主要的部分是讲直接探测。直接探测的原理还是要回到我们上文银河系的图像，即整个银河系是被暗物质的晕包着。

你把暗物质晕可以想象成包着银河系很大的“雾霾”，太阳系就像骑着摩托车的人一样。摩托车以高速相对“雾霾”前进，这个速度大概是光速的千分之一。这样“雾霾”粒子就对着骑摩托车的人有很大的动量。因此对于地球上的探测器，暗物质粒子携带着动量和能量，可以通过普通物质受到撞击以后得到的反冲来测量这种暗物质。

这个简单的原理是1985年由Witten和Goodman提出的想法，寻找暗物质和普通物质原子核相互碰撞以后原子核被踢出去的信号。但如果你发现了这种非常微弱的碰撞之后，你怎么就能说这个信号就是暗物质造成的呢？这就是实验家要做的事，他们不是仅仅在等，他们需要理解什么样的信号是真正来自暗物质和普通物质的碰撞！

那暗物质和普通物质容易碰撞吗？一定很难，要不然今天早已经找到了！可是为什么这么难，就比较难理解了。每一秒钟到底有多少暗物质穿过我们呢？可以做一个数量级估算。因为我们知道暗物质的密度，知道它们的速度，这样就可以算出来，每秒钟有十亿个暗物质穿过人的身体。

而每个人身体中间大概有10到29次方个原子，也有同样多的原子核。这两个数乘在一起，暗物质应当很容易撞到普通物质。可今天我们知道，每年这样的暗物质和每个人碰撞的次数是小于一次，这不是理论推断，而是实验结果！

我们没有看到暗物质，是因为它们同普通物质的相互作用非常非常的微弱！这么微弱的相互作用，寻找是非常困难的。

今天我们所处在的地表环境，身体和环境中间的宇宙射线、伽玛射线等每天都要碰撞十亿次，所以和一年一次的暗物质碰撞事件来比，这些碰撞多得多。因此我们要想办法把探测器藏起来，藏到干扰因素很低的环境中。

去除宇宙射线干扰没有很聪明的办法。目前测暗物质的实验都躲在地底下，通过地表的岩石把来自宇宙中间的高能带电粒子挡住。而对于环境中的伽玛射线，这些射线无处不有，在极深的地下也有，我们需要把探测器层层包裹起来，用熟知的铅、铜材料把伽玛射线挡住。　

在过去的十年间，中国在暗物质探测方面有比较快的发展，我国的锦屏地下实验室为这个领域提供了绝佳的机遇。