中國科學院紫金山天文臺供圖
圖②：中國500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）全景。2024年，F(xiàn)AST發(fā)現(xiàn)了6個距離地球約50億光年的中性氫星系，通過探測研究中性氫，對于理解暗物質(zhì)、暗能量屬性，解讀星系形成和演化過程等具有重要意義。
新華社記者??歐東衢攝
圖③：平方公里陣列射電望遠鏡先導項目MeerKAT射電望遠鏡，與其觀測到的銀河系中心的巨大射電頻段氣泡示意圖（合成照片）。
新華社發(fā)
圖④：位于中國錦屏地下實驗室二期的中國暗物質(zhì)實驗CDEX大型液氮恒溫器（2020年攝）。
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"> 圖①：“悟空”衛(wèi)星在軌示意圖。“悟空”衛(wèi)星為暗物質(zhì)直接和間接探測提供了大量線索。
中國科學院紫金山天文臺供圖
圖②：中國500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）全景。2024年，F(xiàn)AST發(fā)現(xiàn)了6個距離地球約50億光年的中性氫星系，通過探測研究中性氫，對于理解暗物質(zhì)、暗能量屬性，解讀星系形成和演化過程等具有重要意義。
新華社記者??歐東衢攝
圖③：平方公里陣列射電望遠鏡先導項目MeerKAT射電望遠鏡，與其觀測到的銀河系中心的巨大射電頻段氣泡示意圖（合成照片）。
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圖④：位于中國錦屏地下實驗室二期的中國暗物質(zhì)實驗CDEX大型液氮恒溫器（2020年攝）。
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宇宙中存在大量產(chǎn)生引力卻不發(fā)光的物質(zhì)，這樣的物質(zhì)被稱作“暗物質(zhì)”，其總量遠遠超過構(gòu)成可見世界的物質(zhì)。
前不久，中國科學院報告研判125個科學研究前沿，軸子暗物質(zhì)探測位列其中。近年來，科學家運用人工智能、量子技術等探測暗物質(zhì)，也取得了可喜的進展。
暗物質(zhì)對宇宙影響深遠，那是一種看不見的力量，默默推動著宇宙的演化。探測和研究暗物質(zhì)，是一個拓展人類認知邊界的過程，科學家不斷提出新的理論和研究方法，每一次新發(fā)現(xiàn)都可能顛覆我們對宇宙的認識。本期“瞰前沿”關注暗物質(zhì)研究，了解一下那個充滿趣味和激情的暗物質(zhì)世界。
——編 者
宇宙，誕生于約137億年前的大爆炸。在誕生之初，宇宙處于高溫、高密度、均勻的狀態(tài)，隨著宇宙的膨脹、冷卻，原子得以形成，并在引力作用下聚集。大爆炸后約1億年，第一代恒星形成，隨之形成的是恒星的聚集體——星系。星系通過合并，吸積氣體，逐漸成長。璀璨的星系世界就這樣從無到有一步步形成。
20世紀30年代以來，一系列天文觀測顯示，以璀璨群星為代表的原子物質(zhì)只占據(jù)宇宙物質(zhì)總量的很少一部分，宇宙中存在大量產(chǎn)生引力卻不發(fā)光的物質(zhì)，這樣的物質(zhì)被稱作“暗物質(zhì)”，其總量遠遠超過構(gòu)成可見世界的物質(zhì)。
暗物質(zhì)的存在對宇宙的結(jié)構(gòu)演化和星系形成至關重要。在宇宙早期，暗物質(zhì)聚集產(chǎn)生的引力提供了星系形成所需要的引力勢阱。如果暗物質(zhì)不存在，那么我們所處的銀河系就無法形成。因此，自其存在被觀測確定以來，暗物質(zhì)一直是天文學最重要的研究對象之一。
暗物質(zhì)和原子物質(zhì)不同，它不參與電磁相互作用，不發(fā)光，也不會被光照亮。不過，科學家能夠基于暗物質(zhì)引力效應，測繪其在宇宙中的分布，進而探索暗物質(zhì)是什么。隨著新一代高精度天文觀測設施投入使用，“隱形”的暗物質(zhì)正在被更好地“看見”。
看不見摸不著，如何測繪暗物質(zhì)
宇宙尺度的暗物質(zhì)測繪主要有三類方法。
第一種方法，暗物質(zhì)存在引力，這會影響天體的運動，而天體的運動可以通過光譜學方法和天體測量學方法“捕捉”。20世紀30年代，天文學家弗里茲·茨威基正是因為發(fā)現(xiàn)了星系團中星系的運動速度太快，需要額外的物質(zhì)來提供引力束縛，進而意識到暗物質(zhì)的存在。現(xiàn)在，對恒星、星團、星際氣體云等天體的運動測量，仍然是研究銀河系和近鄰星系內(nèi)暗物質(zhì)分布的最主要手段。
第二種方法，是通過引力透鏡效應進行暗物質(zhì)研究，這也是應用最為廣泛的暗物質(zhì)測繪方法。根據(jù)廣義相對論，任何物質(zhì)都會有引力效應，能夠使其周圍的空間彎曲。遙遠星系發(fā)出的光，經(jīng)過彎曲的宇宙空間來到地球，觀測者看到的星系形態(tài)與其本來的形態(tài)相比就是扭曲的。這類似于透過玻璃透鏡觀察世界會看到扭曲的景象，因此稱作引力透鏡效應。在大多數(shù)情況下，這種扭曲非常輕微，被稱作弱引力透鏡效應。天文學家通過精確測量目標天區(qū)里大量星系的形態(tài)，并進行統(tǒng)計分析，可以提取由暗物質(zhì)帶來的空間扭曲信息，進而繪制目標天區(qū)中的暗物質(zhì)密度分布。此外，在背景星系、作為透鏡的引力勢場中心、觀測者三者幾乎連成一線的情況下，觀測者觀察到的星系圖像會有更強烈的扭曲，形成愛因斯坦環(huán)、巨弧等強引力透鏡現(xiàn)象。強引力透鏡現(xiàn)象特別適合研究宇宙小尺度（1000光年—10萬光年尺度）的暗物質(zhì)分布。
第三種方法，是利用星系作為示蹤物來研究暗物質(zhì)在宇宙尺度的分布。所有的星系都形成在被稱為“暗暈”的暗物質(zhì)團塊中，并隨著暗暈的質(zhì)量增長和相互合并演化。如果我們把星系在數(shù)千萬光年空間尺度上的分布畫成一張圖，這張圖會呈現(xiàn)出蛛網(wǎng)般的形態(tài)，被稱作“宇宙網(wǎng)”。宇宙網(wǎng)實際上呈現(xiàn)了暗物質(zhì)分布的大尺度結(jié)構(gòu)。基于宇宙結(jié)構(gòu)演化理論，科學家可以通過統(tǒng)計星系的空間分布、星系與星系之間的位置關聯(lián)來研究暗物質(zhì)的宇觀分布。
暗物質(zhì)的“真面目”是什么
暗物質(zhì)是一種基本粒子嗎？它的靜止質(zhì)量是多少？如何和其他粒子相互作用呢？這些問題，現(xiàn)在還沒有明確的答案。
如果暗物質(zhì)是一種粒子，那么它可能會衰變、湮滅，從而可能轉(zhuǎn)化為可觀測的光子或其他可探測的粒子。人類探測暗物質(zhì)粒子可以“上天”探索：在太空中，美國的費米伽馬射線衛(wèi)星試圖觀測暗物質(zhì)湮滅產(chǎn)生的伽馬光子，中國科學院主持研制的暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”的目標則是觀測暗物質(zhì)可能轉(zhuǎn)化形成的高能電子/正電子；也可以“入地”探尋：在地下實驗室，美國的暗物質(zhì)探測器LUX-ZEPLIN，歐洲的XENONnT實驗和中國的“熊貓實驗”（PandaX）、暗物質(zhì)實驗項目（CDEX）等則試圖觀察暗物質(zhì)與普通物質(zhì)碰撞產(chǎn)生的輝光。這些觀測從多方面壓縮了暗物質(zhì)粒子的躲藏空間，幫助我們逐漸接近暗物質(zhì)粒子本質(zhì)。
相比于直接探測暗物質(zhì)粒子，天文觀測更關注暗物質(zhì)的性質(zhì)。借助宇宙學高精度數(shù)值模擬，科學家可以將暗物質(zhì)粒子的微觀屬性和暗物質(zhì)在千萬光年甚至兆億光年尺度上的物質(zhì)分布結(jié)構(gòu)建立精確的聯(lián)系，這就如同一座建筑，用竹木、磚石建造還是用鋼筋建造，將影響到大樓的高度、形態(tài)等。反過來，宇宙物質(zhì)分布的宏觀結(jié)構(gòu)，也可以用于研究暗物質(zhì)粒子的性質(zhì)。
人類目前對于暗物質(zhì)的認知，主要來自天文學觀測。通過宇宙微波背景輻射、宇宙大尺度結(jié)構(gòu)等觀測，科學家確定暗物質(zhì)的總量是可見物質(zhì)總量的5倍以上。此外，暗物質(zhì)粒子的性質(zhì)必須允許宇宙結(jié)構(gòu)以一種“等級成團”的方式形成——小的結(jié)構(gòu)先于大的結(jié)構(gòu)形成。這暗示暗物質(zhì)可能是一類質(zhì)量很大的粒子，在宇宙早期具有較小運動速度，符合這樣性質(zhì)的暗物質(zhì)被稱為“冷暗物質(zhì)”。
當前，天文學前沿觀測對于暗物質(zhì)性質(zhì)的探索，主要集中在兩個方面。首先是暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量，這個問題常被描述為“暗物質(zhì)究竟有多冷”。在宇宙中，越“冷”的暗物質(zhì)，能夠形成越多的低質(zhì)量暗暈。對強引力透鏡、銀河系星流等現(xiàn)象的觀測，可以測量到質(zhì)量非常低的暗暈。另一個方面是暗物質(zhì)粒子如何和其他粒子以及自身發(fā)生相互作用。這可以被形象描述為“暗物質(zhì)粒子會不會碰撞”。暗物質(zhì)粒子的這一性質(zhì)會影響到暗暈的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過強、弱引力透鏡和運動學方法精確測量暗暈內(nèi)的物質(zhì)分布，將有助于了解暗物質(zhì)粒子的“碰撞”能力。
我們離暗物質(zhì)的謎底還有多遠
天文學家當前希望將不同的觀測方法結(jié)合起來，獲取從太陽鄰域到百億光年尺度暗物質(zhì)分布的“詳細地圖”以研究暗物質(zhì)性質(zhì)。這需要開展一種被稱作“巡天”的普查式觀測，用于系統(tǒng)、均勻地獲取在廣闊宇宙空間中的天體圖像、光譜信息，并從中提取星系動力學、引力透鏡等信息，進而測繪暗物質(zhì)分布。新一代空間天文旗艦級項目，包括歐洲航天局發(fā)射的歐幾里得望遠鏡、我國的巡天空間望遠鏡和美國的羅曼空間望遠鏡，都將在太空開展高精度巡天觀測。其中，我國將要發(fā)射的巡天空間望遠鏡搭載了大視場巡天相機和多臺天文精測探測器，有望在暗物質(zhì)測繪和暗物質(zhì)性質(zhì)研究領域取得進展。
巡天空間望遠鏡的口徑和哈勃望遠鏡相當，但一次可觀測的天空范圍遠超美國發(fā)射的哈勃望遠鏡和韋布望遠鏡，特別適合開展對宇宙的圖像和光譜普查工作。如果說哈勃望遠鏡是長焦鏡頭，可以拍攝到遠山上一頭奶牛的清晰圖像，巡天空間望遠鏡就好比廣角鏡頭，可以一次性拍攝整個山上牛群的圖像，并且其中任何一頭牛的樣子都十分清晰。
除了巡天望遠鏡，我國還建成了一系列適合開展暗物質(zhì)研究的地面望遠鏡，比如郭守敬望遠鏡，這是測量銀河系內(nèi)暗物質(zhì)分布的重要設施；“中國天眼”500米口徑球面射電望遠鏡（FAST），可提供近鄰宇宙氫原子云的分布信息，這些氫原子云也可以作為暗物質(zhì)的示蹤體來搜索低質(zhì)量的暗暈。此外，我國參與的大型國際合作項目“平方公里陣列”將在射電波段打開一扇測繪暗物質(zhì)的“窗戶”。
隨著新一代海量天文數(shù)據(jù)的獲得，在未來的10—20年，暗物質(zhì)的天文學測繪有望進入一個黃金時期。現(xiàn)階段我們所做的努力也許并不是為了明天或后天，而是為了更遙遠的未來，我們期待能夠真正理解暗物質(zhì)世界。
（作者為北京師范大學教授、巡天望遠鏡科學工作聯(lián)合中心科學數(shù)據(jù)責任科學家）
《 人民日報 》（ 2025年01月25日 06 版）