暗物質的研究歷程

2016/11/11 14:29:40

21世紀初科學最大的謎是暗物質和暗能量。暗物質存在于人類已知的物質之外，人們知道它的存在，但不知道它是什么，它的構成也和人類已知的物質不同。在宇宙中，暗物質的能量是人類已知物質的能量的5倍以上。暗物質的總質量是普通物質的6.3倍，在宇宙能量密度中占了1/4，同時更重要的是，暗物質主導了宇宙結構的形成。暗物質的本質還是個謎。科學家認為，整個宇宙有84.5%是由暗物質構成，但一直未能證明其存在。已有不少天文學家認為，宇宙中90%以上的物質是以“暗物質”的方式隱藏著。天文學家們稱，根據當前一些統計資料顯示，我們平常看不見的暗物質很可能占有宇宙所有物質總量的95%，而人類可以看到的物質只占宇宙總物質量的不到10%。

20世紀30年代，荷蘭天體物理學家奧爾特指出：為了說明恒星的運動，需要假定在太陽附近存在著暗物質；同年代，茨維基從室女星系團諸星系的運動的觀測中，也認為在星系團中存在著大量的暗物質；美國天文學家巴柯的理論分析也表明，在太陽附近，存在著與發光物質幾乎同等數量看不見的物質。

1930年初，瑞士天文學家扎維奇發表了一個驚人結果：在星系團中，看得見的星系只占總質量的1/300以下，而99%以上的質量是看不見的。不過，扎維奇的結果許多人并不相信。

自20世紀70年代以來，科學家們根據對許多大型天體之間，如星系之間的引力效果的觀測發現，常規物質不可能引起如此大的引力，因此暗物質的存在理論被廣泛認同。

2006年1月6日報道，劍橋大學天文研究所的科學家們在歷史上第一次成功確定了廣泛分布在宇宙間的暗物質的部分物理性質。從事此項研究的科學家們已準備將此項研究結果公開發表。

2006年，美國天文學家利用錢德拉X射線望遠鏡對星系團1E 0657-56進行觀測，無意間觀測到星系碰撞的過程，星系團碰撞威力之猛，使得黑暗物質與正常物質分開，因此發現了暗物質存在的直接證據。天文學家推測，宇宙中最重要的成分是暗物質和暗能量，暗物質占宇宙25%，暗能量占70%，通常所觀測到的普通物質只占宇宙質量的5%。因此，探測和研究暗物質很可能導致物理學界新的革命。

2007年1月，暗物質分布圖終于誕生了！經過4年的努力，70位研究人員繪制出這幅三維的“藍圖”，勾勒出相當于從地球上看，8個月亮并排所覆蓋的天空范圍中暗物質的輪廓。這張圖是通過引力透鏡原理獲得的。馬賽天文物理實驗室的讓-保羅·克乃伯(Jean-Paul Kneib)參加了這張分布圖的繪制工作，他認為這種“面包丁”的形狀自25億年以來就沒有很大改變，所以我們看到的也就是暗物質的形狀。

2007年5月16日出版的《天體物理學雜志》稱，約翰斯·霍普金斯大學天文學家小組利用哈勃太空望遠鏡，探測到了位于遙遠星系團中呈環狀分布的暗物質。天文學家們稱，這是迄今為止能證明暗物質存在的最強有力的證據。這一重大發現刊登在上。 研究小組成員、天文學家詹姆斯·杰說，“這是第一次探測到有著獨特結構的暗物質，它的環狀結構與星系團內部星系以及熱氣體的結構截然不同”。這將有助于天文學家分析暗物質與普通物質的區別，理解引力作用是如何影響暗物質的。

2009年12月21日，科學家在Souden煤礦中發現暗物質，這是迄今為止最有力的發現暗物質證據。其他實驗也在探尋來自暗物質的信號，比如地下氙（Lux）實驗。美國費米太空望遠鏡則試圖定位暗物質，尋找其在空間湮沒（暗物質發生碰撞時，兩個粒子將生成可以被探測器接收到的γ射線）的證據，但目前沒有任何發現。

2010年12月12日，中國首個極深地下實驗室——“中
暗物質
暗物質國錦屏地下實驗室”于在四川雅礱江錦屏水電站揭牌并投入使用，錦屏地下實驗室垂直巖石覆蓋達2400米，是當前世界巖石覆蓋最深的實驗室。它的建成標志著中國已經擁有了世界一流的潔凈的低輻射研究平臺，能夠自主開展像暗物質探測這樣的國際最前沿的基礎研究課題。清華大學實驗組的暗物質探測器已經率先進入實驗室，并啟動探測工作，而2012年上海交通大學等研究團隊也將進入這里開展暗物質的探測研究。

2011年5月，意大利暗物質探測無果，該研究結果質疑其它發現暗物質的結果。有科學研究表明，大麥哲倫星系（距銀河系約16萬光年）未被銀河系的引力撕碎的原因可能是因為暗物質的影響，使大麥哲倫星系幸免于難。

日內瓦時間2013年4月3日下午5點（北京時間2013年4月4日零點），諾貝爾物理獎獲得者丁肇中教授在日內瓦歐洲核子中心，首次公布其領導的阿爾法磁譜儀（AMS）項目18年之后的第一個實驗結果——已發現的40萬個正電子可能來自一個共同之源，即脈沖星或人們一直尋找的暗物質。

至2013年，尋找暗物質粒子、研究暗能量的物理本質、探索宇宙起源及演化的奧秘、結合粒子物理和宇宙學的研究已成為21世紀天文學和物理學發展的一個重要趨勢。諾貝爾物理學獎獲得者李政道教授曾多次指出：“暗物質是籠罩20世紀末和21世紀初現代物理學的最大烏云，它將預示著物理學的又一次革命。”

2013年4月18日，美國物理學會的科學家報告稱，在實驗中發現大質量弱相互作用粒子的信號強度達到3個西格瑪水平，他們發現暗物質的可能性達到99.8%。

2013年4月，當地時間3日，諾貝爾獎獲得者、華裔物理學家丁肇中及其阿爾法磁譜儀項目團隊宣布的成果，讓人類在認識暗物質的道路上邁出重要一步。丁肇中團隊借助阿爾法磁譜儀已發現40萬個正電子，這些正電子可能來自人類一直尋找的暗物質（正電子是反物質，和暗物質是完全不同的概念）。阿爾法磁譜儀首批研究成果“將有助于促進對基礎物理學和天體物理學領域新的理解”，“我們期盼更多來自這一項目的令人激動的成果”。阿爾法磁譜儀(AMS)項目重大成果，該成果有可能證明暗物質確實存在。

北京時間2014年9月18日，程林教授團隊與丁肇中合作的AMS項目重大成果發布會在瑞士日內瓦舉行，丁肇中主持的實驗室公布AMS項目最新研究成果，宇宙射線中過量的正電子可能來自暗物質。丁肇中特委托山東大學程林教授在國內發布有關成果。在已完成的觀測中，證明暗物質存在實驗的6個有關特征中，已有5個得到確認。