寻找宇宙的四分之一

人类对宇宙的探索已经超过了上千年，然而我们越是探索，便越是意识到自己的无知。不过我们已经清楚地认识到，人类目光所及之物，远非宇宙的全部。

普朗克卫星的观测数据告诉我们，宇宙中的重子物质（也就是可以被我们‘看见’的物质）只占4.9%，而推动宇宙加速膨胀的暗能量则占据68.3%。

其余的宇宙组分——占据了26.8%的暗物质，它们不会与电磁波相互作用，无法直接进行观测，但是自身的引力效应可以被间接探测到。

普朗克卫星 / ESA/AOES Medialab

我们对这宇宙中超过四分之一的组分已经探索了百年有余，对其却仍旧仅是一知半解。

早在19世纪末开尔文勋爵威廉·汤姆森就提出了银河系中存在大量“暗体”（dark body，不同于黑体辐射的black body）的猜想，而1906年，亨利·庞加莱在讨论开尔文勋爵的工作的时候，在《银河系和气体理论》中首次使用了暗物质（dark matter）这一名称。

1932年扬·奥尔特根据银河系发光天体的亮度和质量的关系，推算出银河系理应有更多“看不见”的物质组成。同时期，加州理工学院天文学教授弗里茨·兹威基根据维里定理计算出后发座星系团内大部分物质都是看不见的“暗物质”。

奥尔特（左）和兹威基（右）都发现星系内理应存在暗物质

实际上，如果只有重子物质的话，由于靠近星系边缘位置引力逐渐变弱，星系外围的旋转速度会很快衰减。

在对仙女座大星系（M31）外围的星际物质进行观测的时候，美国天文学家薇拉·鲁宾（Vera Rubbin）却发现事实并非如此。星系外侧的旋转速度不仅没有快速下降，反而一直维持到远离星系中心的地方。这意味着有更多的质量一直延展至银河系的边缘之外，而且它们不会发光，这便是暗物质存在的证据之一。

实际测量（白）的星系自转曲线同预测值（红）截然不同 / Queens University

薇拉·鲁宾于2016年12月25日辞世，为了纪念她对暗物质探测的贡献，大型综合巡天望远镜（LSST）天文台被命名为薇拉·鲁宾天文台。

实际上不仅是银河系，后续的观测发现，具有平坦向外延伸的旋转曲线的星系是相当普遍的，而这也就意味着，暗物质在宇宙当中无处不在。

引力透镜图像也昭示了这些看不见的宇宙成分大量存在，天文学家通过引力透镜工具，发现星系团CL0024+17内部存在一个暗物质圈（蓝色）/ NASA, ESA, M.J. Jee and H. Ford (Johns Hopkins University)

暗物质的候选物有很多，一开始天文学家们认为它们或许是许多黯淡或者不发光的天体，诸如黑洞、中子星、衰老的褐矮星、白矮星等，它们被统称为晕族大质量致密天体（MAssive Compact Halo Objects，缩写为：MACHOs）。

20世纪80年代普林斯顿大学的天文学家Bohdan Paczyński讨论了利用微引力透镜探测到MACHOs的概率，而MACHOs的实例也于1993年在大麦哲伦星云首次发现。虽然这类暗物质更容易被常识所接受，但是多年来的天文观测却没能找到足够数量的MACHOs，用来填补5倍余重子物质的暗物质组分。

黑洞等MACHOs的数量不足以填补暗物质的巨大组分

否定MACHOs之后，粒子物理学家们试图从标准粒子模型中寻找解答。基于暗物质无法同电磁波相互作用这一条件，它们必须是不带电的中性粒子，同时还不能像中子那样会快速衰变为带电粒子（β衰变过程会使中子衰变为质子和电子）。

粒子物理学家们假设了大质量弱相互作用粒子（Weakly Interacting Massive Particles，简称WIMPs）、轴子（用于解决强相互作用中的CP（电荷-宇称）不对称性问题）、惰性中微子等多种可能的候选粒子，但如何证实它们的对错却又成为了另一个严峻的问题。

WIMPs组成的大尺度宇宙结构模拟，上图为Illustris模拟出的今天的宇宙，蓝色为暗物质而红色为重子物质。/ Illustris-project.org

由于只具有引力作用，就像是我们很难感受到苹果等物体的引力一样，暗物质粒子和普通物质相遇时几乎什么都不会发生。一些理论认为暗物质粒子还具有弱相互作用，这意味着距离足够近的时候它们可以同原子核相互作用，只不过概率极低（低到咱们的探测器都埋在地底下十几年了还没撞上过一次）。

不过所幸，计算机技术的进步给我们带来的是处理多体问题能力的提升，虽然不能像麦克斯韦妖那样精确控制每个粒子的运动，但是我们的确可以利用超级计算机大致模拟宇宙的演化过程。

麦克斯韦妖是物理学中假想的可以看探测并控制单个分子运动的妖精，是詹姆斯·麦克斯韦为了说明违反热力学第二定律的可能性而假想的存在。

通过不断修改初始状态的宇宙学参数（比如暗物质粒子的温度、质量、暗能量组分占比等等），然后让宇宙在计算机中进行演化，然后把结果和今天我们观测到的宇宙进行对比，看看两者的相似度有多高。整个过程仿佛盲人摸象一般，虽然有些缺乏效率，但是模拟的结果却不断逼近现在观测到的宇宙。

根据模拟结果，同我们现在的宇宙最为相符的模型被称为ΛCDM（Lamda-Cold Dark Matter，Λ冷暗物质模型）。其中Λ为宇宙学常数，表征暗能量组分，而CDM则是一种大质量的无碰撞粒子，类似WIMPs的设定。

ΛCDM模型能够很好地解释宇宙微波背景、宇宙大尺度结构以及宇宙加速膨胀等一系列观测结果，同时也保持了简洁的形式，因而被广泛接受。

值得注意的是，虽然很多人都觉得暗物质像星星一样离我们很远，但研究却显示它们或许同我们紧密相邻。在ΛCDM宇宙模型中，暗物质成晕状存在，它们被称为暗晕，仿佛宇宙中一团一团不发光的稀疏黑云，将星系等发光物质包裹在里面。更确切地说，是这些星系诞生于暗晕当中。

ΛCDM宇宙模型中暗物质（左）和其中的重子物质（右）共同演化过程 / Illustris-project.org

实际上，宇宙大爆炸之后，暗物质的冷却远早于重子物质，这些暗物质粒子聚集在一起形成了暗晕，这些暗晕虽然不会与重子物质相互作用，但是却会形成巨大的引力势阱（就像宇宙中一个个深井坑一般），诱使重子物质落入暗晕当中，随后重子物质才在进一步降温之后结合在一起，聚合成我们现在看到的满天繁星。

然而计算机模拟始终只能告诉我们暗物质粒子可能具有怎样的性质，至于它究竟是什么，我们仍旧需要通过粒子物理手段来探究。

对暗物质粒子的探测主要从空间、地表和深层地底三个渠道进行。

安装在国际空间站上的阿尔法磁谱仪、中国暗物质粒子探测卫星DAMPE等都是针对暗物质粒子的空间探测器。

暗物质粒子探测卫星悟空号（DAMPE）/ CAS

在一些理论中暗物质也存在正反粒子，它们相互湮灭的时候就会激发出一对高能光子（因为暗晕十分稀疏的缘故，这种湮灭事件发生的概率也非常低），上面的这些空间探测器瞄准的就是这些光子。

2017年12月DAMPE的团队曾在传回的数据中发现了一个强烈的信号，这个信号就极有可能是太阳系附近的暗晕所发出来的（虽然说附近，但是也可能有几百甚至上千光年）。

DAMPE在高能区探测到了一个强烈的信号。/ DAMPE

光子在穿过大气层时很容易被散射掉，因此很难在地面上作为探测手段。不过作为粒子物理学家最重要的武器——大型对撞机或许可以帮助我们制造一些暗物质粒子。

建造在日内瓦的大型强子对撞机（Large Hadron Collider，简称LHC）最高能量可达20TeV（暗物质粒子的能量范围不过10GeV-100GeV，远低于这一数值），完全有能力产生暗物质粒子，只不过它们很难被探测器检测到，只能通过暗物质粒子带走的能量和动量来检验其存在。

LHC具有制造暗物质粒子的能力。/ CERN / Gavin Hesketh

虽然2016年LHC一度传出发现超重新粒子的传闻，但后续试验证明该信号不过是统计波动，这对于当时兴致大涨的暗物质探索者们无疑是一盆冷水。

即便无法制造暗物质粒子，毕竟根据模型我们身处暗物质晕当中，四周无处不存在暗物质粒子，为什么不能探测它们呢？

之前提到的暗物质候选粒子，例如WIMPs可能以极低的概率碰撞原子核，这意味着如果我们使用灵敏度而非常高的惰性元素单质（例如液态氙）作为探测体，如果有粒子与其发生碰撞，就可能让惰性元素分子产生辉光从而被探测到。

暗物质粒子碰撞搭配惰性元素分子时会使其产生辉光被探测到 / UX-ZEPLIN (LZ) COLLABORATION / SLAC NATIONAL ACCELERATOR LABORATORY

然而地面之上各种宇宙射线都可能穿过大气层来到地表和探测体发生反应，会严重干扰探测结果，因此这些暗物质探测器一般被安置于幽暗的地底，比如中国锦屏极深地下暗物质实验室被建造在2500米的山体岩石之下，英国伯毕矿山地下实验室位于北约克郡东北海岸下方1100米的钾盐矿井中，而意大利格兰萨索国家实验室的XENON1T（Xenon是化学元素中的氙（Xe），正是暗物质探测器的载体）探测器则在1400米的地下深处。

基本上所有的宇宙线都无法穿过如此之厚的岩石层到达探测器，而暗物质粒子由于本身同物质发生碰撞的概率就非常低，所以几乎可以毫不受阻地到达如此深幽的地底。

锦屏极深地下实验室（CJPL）地处2400的山体之下 / CJPL

不过问题在于，这些暗物质粒子连上面上千米厚的岩石粒子都穿过来了，在不过几十米大小的探测器中碰到原子核的概率也实在是低得可怜。这些地下探测器只能一次又一次提高探测精度，将暗物质粒子可能存在的参数范围不断压缩。

然而一次又一次的无功而返，也不得不让这些团队开始考虑，是否应该对其他候选粒子做出尝试。

意大利的XENON团队将视线转向了另一种候选粒子——轴子。

“轴子”的概念起源于20世纪70年代，轴子的提出最初是为了解决强相互作用中的CP不对称性（也叫作CP破坏或者CP破缺）问题，而80年代中期的相关研究显示，宇宙大爆炸也能产生足以构成当前占比的暗物质的轴子。

轴子最初被粒子物理学家引入解决CP不对称问题 / Sandbox Studio

相较于WIMPs，轴子的质量要低得多，因此相同的探测手段显然是不适用的，但氙分子的电子却是很合适的碰撞目标，轴子与电子发生碰撞也可以产生足以被探测到的闪光。

2016-2018年间，XENONT1探测器探测到了285次闪光信号，其中232次都被辨识为背景噪音。而其他的53个信号，就有可能来自轴子的碰撞。

根据XENON团队在2020年6月发表的论文，这些信号来源有三种可能——太阳产生的轴子（毫无疑问这为我们探测暗物质轴子打开了一扇大门）、强磁性太阳中微子（超出标准粒子模型的发现，同样振奋人心）以及放射性氚对装置的污染（虽然实验人员尽可能避免这种污染，但微量的氚或许没能完全清除）。

太阳轴子的可能性是三者当中最高的，但是XENON团队的结果置信度还尚不足以达到物理学家能够信服的程度，因此并不能确定这些粒子就一定是轴子，但随着更多实验的进行，相信更多的线索和证据会被逐步揭露出来。

XENON探测器内部 / ENRICO SACCHETTI/SCIENCE SOURCE

不过值得注意的是，这些轴子并非宇宙大爆炸的产物，而是由太阳产生的粒子。但我们此前从未真的探测到轴子的存在，如果这些信号可以被证实为太阳轴子，那么意味着宇宙大爆炸过程中的轴子可能也同样存在。

虽然时至今日，我们仍未知道宇宙中那神秘的四分之一究竟是什么，但是随着更多的观测和实验，暗物质的面纱一定会被我们一层一层揭开。

作者简介 /

猫又，国家天文台星系宇宙学团组硕士在读，研究方向为星系结构演化。

参考文献 / 

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[7]: Aprile E, Aalbers J, Agostini F, et al. Observation of Excess Electronic Recoil Events in XENON1T[J]. arXiv preprint arXiv:2006.09721, 2020.