原标题：我们为什么要找暗物质？

国际暗物质探测实验组近日发布了吨级液氙探测器Xenon-1T最新的实验结果，显示其测量到了一些超出预期的事例，很有可能看到了暗物质粒子的踪迹，一时间引发科学界广泛关注。

寻找暗物质是美国《科学》杂志2020年年初提出的可能成为2020年头条的十大科学新闻之一。到目前为止，科学家只观测到暗物质存在的间接证据，尚未以确定的方式直接探测到暗物质粒子。

宇宙中的绝大部分是黑暗和混沌的。随着精确宇宙学时代的到来，大量前所未有的高精度天文观测给人类的科学认识带来了新挑战：宇宙中的绝大部分物质是由一种在宇宙学时间尺度上稳定、不发光、非相对论性运动的、有质量的粒子构成，简称暗物质。对于暗物质的探寻之路，人类已经走了上百年。

2015年12月17日，搭载暗物质粒子探测卫星的长征二号丁运载火箭升空

在身边，不在眼前

黑夜看似虚空，又充满神秘，令人浮想联翩。在科学家眼里，夜空的黑暗也是不寻常的。早在1823年，德国物理学家海因里希·奥尔贝斯就做了一个简单的推理：假设发光的星星在宇宙中是均匀分布的，再假设宇宙是无穷大的，位于远处的星光虽然会更暗淡，但远处包括的星星数目也更多，这两个效果刚好抵消，结果应该是远处任何一个距离内的星星照射到地球的光线加起来是一样多的。如果把无尽的距离内的星光都加上，那黑夜应亮如白昼。

这是多么严谨而荒谬啊。正是这个著名的佯谬，使人类第一次严肃地考虑一种可能性：我们的宇宙其实是有限的。

如果黑暗里藏着一些东西，人类有办法知道吗？答案是肯定的。1845年，法国天文学家勒维列，对当时已知的天王星轨道和牛顿万有引力定律不完全符合的问题进行了研究。他的出发点是：如果我们相信牛顿万有引力是正确的，那么只有一种可能，就是天王星受到了一颗尚未被看到的星星的引力扰动。他计算了这个行星的位置，并说服了德国柏林天文台的加勒去搜寻。加勒手头上正好有相关天区的暗星表，就试着搜了一下，果然于1846年在相差只有一度的范围内看到了这颗行星，它就是如今我们熟知的海王星。同时代的英国天文学家亚当斯也做了相关的预言，可惜没有天文学家根据其预言进行观测。

按照通过引力相互作用来探索未知物质这一思路，人类踏上了探索宇宙中不可见物质的征程。英国物理学家开尔文，是最早（1904年）利用恒星的运动速度来推测银河系中有多少看不见的物质的先驱之一。此后，荷兰天文学家卡普坦和他的学生奥尔特，对太阳系附近星体运动做了系统研究，但均未能发现暗物质存在的确凿证据。

1933年，情况发生了很大变化。瑞士裔美国天文学家茨维基发现，一些星系旋转速度远远超出预期，仅靠星系团中可见星系的质量产生的引力是无法将其束缚在星系团内的。因此，星系团中应该存在大量的暗物质，其质量为可见星系的至少百倍。可惜，人们对他的分析方法将信将疑，这一突破性的结论在当时未能引起学术界的一致认同。

茨维基之后的几十年，各种支持暗物质存在的证据不断涌现。1970年，美国天体物理学家鲁宾和福特，对仙女座大星云中星体旋转速度的研究取得重大突破。利用高精度的光谱测量技术，他们可以探测到远离星系核区域的外围（约一百角分）星体绕星系旋转速度和距离的关系。

按照牛顿万有引力定律，如果星系的质量主要集中在星系可见的核心区，星系外围星体的速度将随着距离增大而减小。但观测结果表明，在相当大的范围内，星系外围星体的速度是恒定的。这意味着要么牛顿万有引力定律不正确，要么星系中有大量的不可见物质分布在星系的外围，且其质量远大于发光星体的质量总和。这不但是暗物质存在的证据，也揭示了暗物质的空间分布。

后来，人们在宇宙的各种尺度和演化的各个时期，都一致地发现了暗物质的踪迹。星系团中常常存在能发射出X-射线的炽热气体，当气体在星系团引力场中达到流体力学平衡后，可通过其温度推测出星系团的质量。大量的星系团X-射线观测数据表明，星系团质量远大于其中发光部分的质量总和。

此外，通过对弱引力透镜效应的研究，人们也发现了星系团中存在大量暗物质的证据。

2014年12月24日拍摄的锦屏山隧道，中国锦屏地下实验室便在这隧道中部

完全未知的新物质

在宇宙尺度上，通过对宇宙中微波背景辐射各向异性的精细观测，可以确定出宇宙中暗物质的总量。目前的观测表明，宇宙的总物质中，约有85%是暗物质；15%为常规物质，其中主要为星际气体和尘埃；而发光的恒星属于常规物质，只占宇宙物质总量的1.5%。

暗物质是什么？目前没人知道。但比较肯定的是，暗物质不应是由常规原子组成的物质，即不是由电子和原子核（质子和中子）构成的。因为宇宙中这些物质的总量是确定的，可由热大爆炸原初核合成理论计算得出，并符合观测结果。如此大量的暗物质，不可能属于常规物质。暗物质是一种完全未知的新物质，与日月星辰、地球上的万物都不同类，堪称宇宙间沉默的大多数。

一种可以了解暗物质的方法，是研究暗物质是否与常规物质有微弱的相互作用。如果有的话，则可能通过实验室手段研究暗物质的属性。前文提到的吨级液氙探测器Xenon-1T，就是在探测暗物质与原子核的散射。该探测器利用约一吨的液氙作为探测靶物质，液氙是一种闪烁体，它身边飞过的暗物质粒子只要打在其任何一个氙原子上，都有可能发出闪光，光信号会被灵敏的仪器记录下来。这种测量难度很大，主要是要克服各种放射性本底。

经过一年的数据积累，它在指定信号区域发现了53个事例，出现误判的可能性只有千分之一。但这个误判率在科学上还是不够有说服力。只有误判率低于约三百万分之一，才可为科学界所接受。该实验组进一步研究发现，实验仪器中的空气可能受到了放射性同位素氚的污染。氚是氢的一种放射性同位素，可以产生类似的事例。目前还无法确定污染的程度，因此还需要进一步研究。

资料图：PandaX实验组的研究人员在中国锦屏地下实验室对设备进行检查。新华社发

我国也正在积极推进暗物质方面的研究工作。2010年，位于四川锦屏山的一个暗物质探测实验室建成。该实验室在地下2400米深处，能很好地屏蔽各种宇宙射线背景的干扰，是目前为止世界最深的地下探测实验室。分别由清华大学和上海交通大学主导的暗物质直接探测实验CDEX和PandaX正在运行，已经取得了位居世界前列的成果。

在暗物质空间探测方面，我国第一颗暗物质探测卫星“悟空号”已经升空并顺利运行，它采集了来自宇宙的高能核子、电子和伽马射线的大量数据，取得了重要的成果。（作者系中国科学院理论物理研究所研究员）

来源：2020年8月19日出版的《环球》杂志 第17期

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