[读懂科学]“暗物质，你的秘密真让人好奇”……价值2万亿望远镜升空

Published 10 Jul.2023 10:32(KST)

Updated 11 Jul.2023 08:14(KST)

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欧洲航天局发射“欧几里得”太空望远镜
探索宇宙95%的暗物质与暗能量

进入20世纪后，凭借量子科学和相对论“武装”起来的现代物理学，似乎已经进入了完成阶段：人类发现了原子的存在，能够追踪宇宙的演化过程。然而出人意料的是，人类至今所了解的内容竟然还不到整个宇宙的5%。我们所认识的普通物质，即各种元素，只占宇宙整体的极小一部分。其余空间则充满了只确认了存在、却既看不见也无法知晓其本质的物质和能量。过去50年间，“暗物质（dark matter）”和“暗能量（dark energy）”之所以成为现代物理学的主要研究课题，正是出于这一原因。

来称一称银河的质量

暗物质是科学家在尝试测量星系质量的过程中发现的。由于星系庞大到根本不可能“放到秤上去称”，科学家们设计了两种测量星系质量的方法。第一种是通过星系的亮度推算恒星的数量，即所谓光度质量（luminosity mass）。他们还想到另一种方法：测量星系中旋转恒星的速度，从而推算引力强度，再换算为质量，这被称为力学质量（dynamical mass）。然而在这里，科学家们有了惊人的发现：对同一个星系“称重”，采用两种方法得到的结果却完全不同。用力学质量方法测得的数值比光度质量大出4～5倍以上。由此，科学家提出了一个假说：在星系内部充满了一种不发光的物质。

1933年，瑞士物理学家弗里茨·茨维基首次提出这一观点。他在观测距离地球3.2亿光年的后发座室女座星系团时发现，星系团外围星系的旋转速度远远快于原先的理论预期。这与当时的假说完全不同——原本认为越靠近星系团中心，质量越大、旋转越快，越靠外则旋转越慢。对此，茨维基指出，必须存在一种我们肉眼看不见、却能产生引力作用的物质，才能解释这些现象，并将其命名为“不可见物质（invisible matter）”。当时学界对此反应冷淡。

然而到了20世纪70年代初，美国物理学家维拉·鲁宾发表了证明暗物质存在的研究成果，使这一观点逐渐成为“主流”。鲁宾测量了银河系内部恒星的运动速度，起初她同样预期中心区域的速度更快、外围更慢。但令人吃惊的是，她确认各处的速度几乎相同。对另外约200个星系进行测量后，也得到了同样的结果。这些现象若不引入“暗物质”的存在，根本无法得到解释。

此外，拥有强大引力的星系会折射光线，使背景天体被放大、得以观测的“引力透镜效应”，矮星系的高速自转，星系团碰撞时出现的“子弹星系团”现象，宇宙的大尺度结构、宇宙微波背景辐射等现象，也都间接证明了暗物质的存在。如果星系只由恒星、气体、宇宙尘埃等我们用现有设备可以观测到的普通物质构成，而其余空间一片空无，那么这些现象根本不可能发生。根据目前的观测结果，宇宙中原子——也就是我们所知道的普通物质——仅占不到5%，暗物质约占25%，是普通物质的4～5倍，暗能量则约占70%。

美国国家航空航天局提供

暗物质，造就了恒星和星系

暗物质在宇宙大爆炸（Big Bang）之后的早期宇宙中，对恒星和星系的形成起到了决定性作用。解释这一过程的理论包括宇宙大尺度结构理论、宇宙微波背景辐射理论等。大爆炸约38万年后，宇宙开始急剧膨胀并逐渐冷却。由于膨胀速度过快，热能在整个宇宙中几乎不分位置地均匀分布，这就是所谓宇宙微波背景辐射的各向同性理论。通过宇宙微波背景探测者（WMAP）卫星和“普朗克”（Planck）卫星对宇宙微波背景辐射的观测结果显示，宇宙整体的热能分布确实非常均匀。但其中最热区域和最冷区域之间的差异又是确实存在的，这意味着在早期宇宙中，物质在某些区域聚集得更多，而在另一些区域则较少。正是这些物质在漫长岁月中在引力作用下不断聚集、堆积，最终形成了恒星和星系。也就是说，早期宇宙中并不均匀的物质分布造就了恒星和星系。

然而这一解释同样遇到了障碍：仅凭只占宇宙约5%的普通物质，无法产生足够的引力，按计算需要比目前宇宙历史更长的时间。天体物理学家的解释是，正是暗物质提供了使恒星和星系凝聚在一起所需的引力，才使这一过程成为可能。但暗物质的真实面貌至今仍未被直接捕捉到。全世界的物理学家数十年来在地下、南极等地建造探测器进行研究，却仍未取得决定性成果。目前仅在理论上提出了轴子、惰性中微子、弱相互作用大质量粒子（WIMP）、引力相互作用粒子（GIMP）、原初黑洞等6种候选物质。只是在性质方面，人们已有一定了解：它既不与可见光发生作用，也几乎不与任何电磁力发生相互作用，因此无法被直接观测；自宇宙诞生之初便已存在，古老而稳定；由于与引力相互作用，它必然具有质量，被推测为比光速慢、质量较大且处于低温状态。在韩国，基础科学研究院（IBS）也在江原道旌善地下1000米处建设了配备探测器的Yemi实验室，开展暗物质观测研究。韩国科学技术院（KAIST）也在研究轴子。

推动宇宙膨胀的力量，暗能量

数量甚至多于暗物质的暗能量，则是完全不同的存在。如果说暗物质通过使普通物质聚集而形成恒星和星系，那么暗能量则恰恰相反，是推动宇宙膨胀的“反重力”能量。1998年，Saul Perlmutter、Brian Schmidt等学者发现，宇宙膨胀并非以恒定速度持续进行，而是在不断加速。他们利用具有固定亮度的超新星来测量极其遥远星系的距离，并据此计算宇宙膨胀率，结果发现膨胀速度正在逐渐变快。这一发现引出了这样的假说：在宇宙整体真空中，存在一种看不见、无法直接测量、却能加速宇宙膨胀的能量，即所谓“暗能量”。不过，以超新星亮度为基准测量宇宙距离、从而推算暗能量存在的这一基础方法本身也被指出可能存在错误，围绕暗能量仍有许多难题亟待解决。

围绕暗物质和暗能量之谜的研究正如火如荼地展开。欧洲航天局（ESA）本月2日发射的“欧几里得”（Euclid）空间望远镜就是代表性项目之一。这是一台耗资15亿美元（约合1.95万亿韩元）建造的尖端太空望远镜。其核心任务是，利用大型可见光成像仪（VIS）和近红外光谱仪及光度计（NISP），在2029年前观测分布在超过三分之一天空中的多达20亿个星系，绘制有史以来最大规模的三维宇宙地图。