无法观测的物质——宇宙暗物质之谜

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原作：MATT WILLIAMS

翻译：何永强

校译：杨欣冉 涂天宇

后台：李子琦 胡永葳 董腾晨

原文链接：https://www.universetoday.com/154148/missing-mass-not-on-our-watch-dr-paul-sutter-explains-dark-matter/

在宇宙总质量中，已知的物质只占16%，剩下的84%都是暗物质

你是否有时间并且渴望了解宇宙的神秘？那么可以关注保罗·萨特博士。在一段启蒙之旅中，萨特博士会带领你观看一个8集的短剧来探索宇宙的神秘，例如黑洞，气候变化的未来，生命的起源，还有暗物质（首映集）。

生肉视频请移步：https://arstechnica.com/science/2022/01/learn-the-mysteries-of-dark-matter-with-ars-and-dr-paul-sutter/#p3

就天体物理学家和宇宙学家而言，暗物质是最经久不衰、最令人沮丧、最令人困惑的谜团之一！那么，人们一定会想，为什么科学家们如此孜孜不倦地追踪它呢？简单的回答是：没有暗物质的话，最广泛接受的宇宙理论就讲不通。长一点的答案是，它既复杂又长！幸运的是，萨特博士成功地在不到15分钟的时间里总结了这一切。作为一个有成就的物理学家，他还解释了为什么追踪暗物质是如此重要！

简单地说，暗物质刚好超出了科学知识的边缘。多亏了爱因斯坦的广义相对论，科学家们可以计算出大质量物体在宇宙最大尺度上的行为。然而，在整个20世纪50年代和60年代（相对论的黄金时代），天体物理学家们注意到他们所观察到的引力现象与可见物质的数量不一致。

我们如何知道它的存在？

萨特博士的这部分解释简直不可思议！就像伽利略和爱因斯坦一样，他用一个简单的比喻说明了科学家如何研究暗物质：一个站在航船上的人。他说：“半夜的时候，你会看到远处的海岸上有灯光。现在，这些灯光告诉你海岸是存在的，但它并没有告诉你任何有关海岸的信息。那里可能有山脉或丛林，你只是不知道。这就是暗物质的情况。”

暗物质的证据就在我们身边。正如萨特博士厚脸皮地说道，“我的意思是，我写了一本关于它的书！”他从手头的一本中列出了一系列证据。“这是星系的旋转曲线。这是星系团的温度。这是光在大质量结构周围的弯曲。这是宇宙本身的大尺度结构。这是宇宙微波背景。等等。”

寒冷，无碰撞，丰富

但我们对它究竟了解多少呢？首先，我们知道它不是什么，这使得理论天体物理学家可以对它可能是什么进行限制。正如萨特博士所解释的，我们对暗物质（DM）的了解表明，它符合三个参数：冷、无碰撞和丰富。这就形成了最被广泛接受的宇宙模型——∧（和暗能量有关的宇宙学常数）冷暗物质（LCDM） 模型的基础。正如萨顿博士所说：

“无论暗物质是什么，它一定是冷的，无碰撞的，丰富的。我们想知道暗物质是由什么组成的，因为它可以帮助我们理解星系动力学和宇宙的演化。哦，顺便说一下，它是目前宇宙中最普遍的粒子。所以，如果能知道它到底是由什么构成的就好了。”

大亚湾探测器之一，是中国深圳大亚湾反应堆中微子实验的一部分。

版权:Roy Kaltschmidt/LBNL

这一集的亮点之一，是萨顿博士（借助于黑板）对DM的理论和实验基础进行深刻而直接的总结。对于前者，他解释了星系的旋转速度（其质量分布的结果）如何表明仅靠可见物质无法解释我们所看到的东西。还有“暗物质晕”的存在，宇宙中的每个星系似乎都有暗物质晕。

“每个晕的尺度密度和尺度半径都是不同的数字，但无论如何，它们都有一个共同的形状，形状看起来是密度作为半径的函数，开始是这样的，然后下降，”他说。“尺度半径告诉我们断点在哪里。它告诉我们一些关于暗物质晕演化的有趣的事情。”

萨特博士说，本质上，这些晕表明DM形成了一种致密的、集中的球状结构，随着时间的推移，它会积聚更多的DM粒子。这些晕的形成与星系的形成和演化以及宇宙的大尺度结构有着内在的联系。这就是为什么科学家们对詹姆斯·韦布、南希·格雷斯·罗曼、欧几里德和其他观测宇宙起源的任务如此兴奋的原因之一——这将是一个观测这个过程的机会!

候选粒子

至于探测DM是由什么构成的，在一个水箱，许多塑料球(视频中的6m50s)，以及一位客座专家的帮助下，萨特博士提供了一个大纲。正如他所说的，“每一个要打发时间的理论家都在创造他们自己的关于暗物质如何工作的理论，而我们有这么多的候选理论。”例如弱相互作用大质量粒子（WIMPs）、自相互作用暗物质、轴子和类轴子粒子，以及原始黑洞和惰性中微子等等。

日本的中微子探测器“超级神冈，”装有5万吨超纯水，周围用光电倍增管包裹。

版权:超级神冈天文台

“但真正重要的是，所有这些不同的想法，所有这些不同的理论都预测了暗物质在我们的宇宙中可能的行为，”萨特博士说。“然后我们可以尝试去探测它，观察它，以某种方式看到暗物质并证明其中一个假设是正确的。”目前探测DM候选粒子的努力包括中微子探测器，如南极洲的冰立方天文台，安大略省的SNOLAB设施，以及日本的超级神冈天文台(见上图)。

这些设施通常位于地下，在完全黑暗的环境下运行，以确保没有来自电磁源的背景干扰。通过这种方式，探测器可以发现DM候选粒子之间相互作用或与正常物质相互作用的百万分之一几率所产生的最小的能量释放。为了公正地评价DM的这方面，萨特博士请著名的理论宇宙学家珍娜·莱文教授，哥伦比亚大学巴纳德学院物理学和天文学的克莱尔·陶教授进一步解释。

莱文教授提出的一个突出观点是，DM确实存在，而且已经被观察到，但它有几种形式（其中大部分没有被解释）：

中微子绝对是暗物质的一个物理上不可否认的可证实的例子。它们不与光相互作用。它们拥有暗物质的所有属性，但它们的质量或数量不足以解释在宇宙的总能量中占据的极端优势。所以，如果你想象一下宇宙的能量饼图，让我们粗略地说，暗物质大约占了25%。

所以，我认为问题是，真的有重中微子吗？这基本上是很多人在寻找的。他们正在寻找比中微子重得多、不符合我们对粒子物理学传统理解的弱相互作用大质量粒子（WIMPs）。

被称为弱相互作用大质量粒子的暗物质粒子相互湮灭，产生一系列的粒子和辐射，其中包括中等能量的伽马射线。

版权:Sky & Telescope/Gregg Dinderman.

她强调的另一个重点是，关于DM在宇宙演化过程中的参与，还有许多未解决的问题。这超越了星系的演化，还包括重子形成和物质/反物质不对称的问题。它们分别指的是宇宙中重子(正常)物质的诞生，以及在早期宇宙中物质是如何超过反物质的。

莱文教授说:“我们知道，出于某种原因，物质比反物质更受青睐。”所以有一点点的超过。暗物质应该在其中发挥作用吗？也许，从经济学的角度来看，人们希望如此，但我们真的不知道。所以，如果我们发现了暗物质，我们的希望肯定是，哇，它能解释重子形成吗？它在更大的框架中又有什么意义呢？”

是的，这是一个巨大的、令人沮丧的、复杂的问题。但是在听了萨特博士和莱文教授讲完所有相关的细节之后，就明白了为什么DM和对它的研究对现代科学如此重要。正如萨特博士总结的那样，暗物质不仅仅是一种假设。它是理解宇宙中各种现象的框架，但就像一座尚未完工的房子。我们有基础。我们只是还不能生活在那里。这就是暗物质处于知识边缘的原因。

责任编辑：邱煜欣

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图片来源: NASA/Joel Kowsky

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