大家好,我是中科院紫金山天文台副台長,研究員,中國暗物質體子探測衛星首席科學家 常進 。很高興有機會在這裏,把暗物質的情況給大家分享一下。接下來我就給大家簡單科普一下什麽叫暗物質,暗物質是怎麽發現的,相關的構成,以及如何探測暗物質,國際目前最新的探測暗物質的情況是什麽樣的……
我們是天文觀測者,唯一的特長是用 望遠鏡 去觀測。所有的問題,我們都希望能透過望遠鏡看清楚,希望透過物理的探測,研究它物理的本質。
打個比方,我們的工作就像人口普查,只不過為了弄清地球上人口的分布情況,我們可能是透過造一個望遠鏡到天上去,晚上來觀測地球表面的發光情況,根據光亮的大小,把人口估算出來。
可是沒有亮光,是不是就沒有人呢?透過發光的方法研究人口,其實不一定準確。
回過頭來,我們講暗物質的發現。
測量物質的分布,其實跟剛才一樣,也可以透過 發光 的方法。 消除了距離的不確定因素、發光的多少、強度的大小,就可以把整個天體的品質大概的估算出來 。
我們把這個問題引入到更宏觀,測量天體的品質。
其中一種方法是 測量天體的發光度 , 根據發光的強度算出來發光物質的品質 。
還有一種方法, 根據萬有重力定律,測量物質的品質或者天體的品質 ,即是去 測量速度和距離的關系 , 把速度和距離測出來了,天體的品質就可以測出來 。
人造衛星繞地球轉的時候,把人造衛星到地球的距離測出來,人造衛星在該距離上的速度測出來,地球的品質就測出來了。衛星離地球遠的時候,速度會慢下來,離地球近,速度會很快。當我們觀測到如果人造衛星離地球很遠的時候,它還保持那麽高的速度的話,人造衛星肯定要跑出地球,進入太陽系。如果速度再大,它就可能飛出太陽系。
上世紀三十年代,瑞士天文學家Fritz Zwick在研究Coma星系團的時候發現 星系團中的星系彌散速度非常大 ,根據維裏定理計算出的星系團的總品質要遠大於根據發光度計算出來的星系團品質。也就是說星系的運動速度太快了,僅靠星系團中的發光物質是束縛不住速度如此大的天體的。他推測星系團中存在著大量不發光的物質,並稱之為暗物質。
小朋友弄一個球,繞著繩子轉,轉的速度越來越快,球肯定要飛出去,道理是一樣的。
當時測量星系的速度,光譜儀的測量精度還不是很高,盡管他當時提出了暗物質的想法,但是並沒有得到大家的認可,大家認為有可能是系統誤差,測不準。
過了三四十年,到上世紀70年代,美國有一個女天文學家Vera Rubin(她除了諾貝爾獎外,已經得到了物理學上所有的獎)。她當時觀測速度采用的是世界上最先進的 光譜議 ,測量的誤差很小,也就是說測量技術沒問題。
她觀測的不是星系團,而是 星系裏面恒星和其他星際物質的旋轉速度 ,根據萬有重力定律,隨著距離的增加,速度往下降。但是她發現實際觀測中,距離增延長,速度並沒有往下降,跟萬有重力相差比較大。
星系裏面這些物質的旋轉速度太快了,光靠發光物質的重力無法將恒星束縛在星系裏面。如果品質的分布就是發光物質的分布的話,這些物質早就跑到星系外。現在沒有這樣,這說明 星系裏面必然存在大量的看不見的物質 , 也就是暗物質 ,其產生的重力才能將這些物質束縛在星系裏。
這個就是暗物質的概念。從上世紀70年代開始,漸漸得到了人們的認可。
這位女天文學家早期研究的是星系成群還是 隨機分布 。現在我們知道,存在大量的看不見的暗物質,首先形成網,像重力井一樣,可見物質掉到重力井裏面,漸漸形成了恒星、星系、星系團,星系團肯定是成團分布的,宇宙網的基點上是星系團。
這些認識現在得到了大家的認可,但是在上世紀50年代,她博士論文中的這個結論,卻15年沒有得到認可,因為按照當時的理論分析,星系應該是隨機分布的,均勻分布的星系是不會成團分布的。
銀河系裏面的恒星有 四大旋臂 ,這些恒星都在臂上,並不是在星系裏面均勻分布,也是成群、成團的分布。現在這些問題很容易解釋,在那個時代,還沒有人發現。研究星系旋轉曲線,得到了暗物質概念,基本上她算成功了。
其實,她發現暗物質之前,一個丹麥天文學家早就發現了銀河系裏面的恒星旋轉,其速度並沒有隨著距離的增加而降低,而是保持不變。但他認為可能是測量的問題,可能是系統誤差,他盡管發表了,但是沒去解釋暗物質,從其他方面去解釋的。
這告訴我們,在研究過程中,一些看似不起眼的蛛絲馬跡,很可能會導致重要的發現。對一些特殊的現象,要深入的研究,而不是簡單的把它放過去。
我們再看太陽系。按照發光物質的分布,太陽與銀河系的中心大概是8KPC(KPC:千秒差距,天文學上量度距離的單位,1KPC等於一千個秒差距或者3260光年)的距離,推斷出來的速度是每秒160公裏,而最新的測量數據是每秒240公裏。也就是說,理論上發光物質的分布得到的速度要高50%,太陽系必須存在大量的看不見的暗物質,否則太陽就飛出銀河系。
剛才是旋轉曲線,人們認為牛頓的萬有重力定律,可能在宇宙學的尺度上存在問題,要得到距離和速度的關系,我們可以透過修改萬有重力定理得到曲線。
星系發光物質的分布,當然可以透過 錢德拉望遠鏡 把它觀測出來。
研究兩個星系的品質分布,我們還可以透過另外一種方法, 重力透鏡 。
今年年初重力波很轟動,根據愛因史坦的廣義相對論, 光線在重力場中不是沿直線傳播的,而是會有一定彎曲。根據光線的彎曲的大小,可以把品質分布測出來 。
兩個星系團碰撞時,暗物質不發生交互作用,有沒有物質,產生的速度一樣。但是普通物質和普通物質之間存在著交互作用,所以它走的慢一點。這樣就形成了一個只包含暗物質的區域,這樣的觀測結果是無法用修改重力的方法很好的解釋的。
世界上沒有一個容器能把暗物質裝起來, 暗物質與普通物質不發生任何交互作用 ,任何東西都擋不住暗物質。想把它抓住,不可能,它會從你的身上溜走。這種觀察技術出來以後呢,基本上暗物質越來越受到大家的認可。
宇宙中 95%的是看不見的物質——暗物質和暗能量 ,其中 暗物質占宇宙的總能量密度的27%,人類只弄清了宇宙的5%(即可見物質) 。
根據當前的觀測技術,基本上可以把暗物質的物理性質統計出來,不發光,密度大。 可見物質是5%,暗物質是可見物質的5倍,27% 。暗物質壽命長,它 來自於宇宙大霹靂 ,現在已經 138億年 ,如果暗物質的壽命很短的話,它早就衰變了,不存在了。
由於標準模型中的所有基本粒子,人類已經發現了,所有的基本粒子我們都找到了,沒有一個基本粒子與暗物質體子相匹配,標準模型中所有的粒子都不滿足這些性質。也就是說, 如果我們找到了暗物質體子,它肯定不在標準模型裏面 ,這也就意味著現有的標準的物理學模型會得到突破。這也是為什麽暗物質這麽熱。
宇宙中最不可理解的事,是宇宙居然是可以理解的 ,這是愛因史坦講的,他完成了廣義相對論,說出了這一段話,透過廣義相對論,他認為能把整個宇宙了解了。但是他把這個話說早了,現代宇宙還沒有完全理解,因為暗能量和暗物質還沒弄清楚,宇宙到現在為止,還是不可以理解的。
現在是一個探測暗物質的時代,把暗物質弄清楚,肯定會導致物理學革命。
怎麽探測呢?有三種方法。
第一種是 在加速器上模擬宇宙大霹靂 。
加速器探測就是透過高能粒子碰撞,模擬宇宙大霹靂,將暗物質體子打出來,然後去探測,這比較容易理解。
人們弄清楚了高能粒子都是可見的,透過可見的高能粒子碰撞,產生看不見的暗物質體子。
世界上最大的加速器在瑞士,有兩個大的實驗裝置,一個是 ATLAS ,一個是 CMS ,這兩個裝置都耗資10億元以上,用來探測最高能的基本粒子。在暗物質問題上,已經工作了五六年了,還沒有取得任何革命性的進步。對暗物質不同的模型,提出了一些限制,但是沒有根本性的找到暗物質體子。
第二種方法, 在地下直接探測, 即 在地下直接探測暗物質體子與普通原子核碰撞產生的訊號 。
暗物質體子和普通原子也許會存在碰撞,就像兩個小球碰撞一樣。暗物質不可見,但是暗物質和普通的原子核碰撞以後,普通的原子核會動起來,如果原本靜止的原子核動了一下,就可能是暗物質碰撞引起的。這種方法就是透過探測暗物質體子與普通原子核碰撞產生微弱訊號來探測暗物質體子。
為什麽要到地底下去呢?
我必須把 本底 加上。
其一是我們的地面上,使用的一般材料裏面都有很微量的 放射性元素 , 這些放射性元素衰變的時候,發出的能量範圍和暗物質體子碰撞範圍一樣 。
其二是 宇宙線 ,天上隨時隨地有大量的高能粒子飛到大氣裏面,高能粒子和大氣作用,產生大量次級粒子,這些次級粒子也是暗物質體子探測的本底。
把宇宙射線本底遮蔽掉,必須放在地底下 。放的越深,宇宙射線產生的本底會越低。這種實驗很熱,南韓、中國台灣都有這樣的實驗去探測暗物質。
我們國家將在錦屏山地下建世界上最深的地下實驗室來探測暗物質。我們國家的實驗室深2500公尺。它不是往地底下去,而是在高山打隧道,在隧道裏面建實驗室。在四川的錦屏山雅礱江,為了建這個實驗室,打了一個隧道,穿過錦屏山。
如果我們要探測暗物質跟原子核的碰撞,現在有三種物質可用於實驗,一種是 半導體矽 ,讓 矽原子和暗物質碰撞 。另一種是 氙氣 ,氙是 惰性瓦斯 , 大氣裏面會存在微量的氙 。還有 氬 。
假設暗物質的品質是120個氫原子核,一個人是50公斤,每秒鐘是5億個暗物質體子穿過你。如果是一個GeV呢,提高10倍,每秒鐘有50億個暗物質體子穿過你。不要害怕,如果穿過你,和你發生影響了,我們早就探測到暗物質體子了,現在探測不到就是因為它和你沒有發生任何交互作用,我們找不到。
探測方法有兩種,一種是 時間調變法 ,一種是 事例搜尋 。
地球繞太陽轉是圓圈,太陽繞銀河系也在轉。從銀河系裏面假定一個暗物質風,不停的吹出來。春天,暗物質風和地球運動的方向是一致的。秋天是相反的,繞了一圈,有時跟暗物質同向,有時跟暗物質反向。
這就好比如果你和人群是同方向運動時,你每秒鐘碰到的人數基本上不變;如果和人行的方向相反,不停的碰到不同的人。因為你碰到的暗物質體子一年四季不一樣,會看到一個調變現象,春天多,秋天少。根據時間變化,我們可以找到暗物質。 根據一年四季碰到的暗物質體子的數目不一樣,探測變化的曲線 ,這是 時間調變法 。
我們中國科學院高能物理所和羅馬的幾個大學合作,在義大利探測到了調變曲線。春天、夏天、冬天溫度是變化的,濕度是變化的。由於溫度濕度的變化,大氣的變化,都會產生這些調變現象。調變究竟來自於暗物質,還是來自於一年四季氣侯的變化,現在還沒有弄清楚。
現在的實驗做調變,是一個放在南半球,一個放在北半球。如果看到的調變是一樣的,基本排除了細微的變化。
但是時間調變法需要很長時間,這個實驗做了八年,到現在還沒有得到認可,也許過一段時間,能得到肯定的結論。
我們剛才講了,所有的本底來自宇宙射線和材料,透過材料、集團到地底下,把本體降為零,如果來一個訊號,肯定來自暗物質體子。無法區分的本底,透過探測器的技術把它區分開。原子核動一下是一個能量,把能量轉變成光訊號、電訊號、熱訊號,透過探測光、電、熱來探測暗物質體子。也就是說, 把暗物質體子碰撞的原子核能量轉變成光訊號、電訊號、熱訊號,透過光的變化、電的變化和溫度的變化探測暗物質體子 。這是台灣在使用的技術,不是新的技術。要是把三種技術組合在一起,我們可以把暗物質體子產生的反射原子核的訊號和宇宙線本底區分開來,探測暗物質體子。
把暗物質體子碰撞原子核產生的訊號轉變成光、電和熱訊號來探測暗物質體子。這樣的我們有兩個實驗室,一個是清華大學的,把暗物質產生的訊號轉變成電訊號探測暗物質體子。另一個是上海交大的,是讓暗物質體子和大氣裏面的惰性瓦斯原子核碰撞,原子核動一下會發光。把探測器加上強電場,透過探測光和電兩個訊號來探測暗物質體子。
世界上那麽多實驗室探測暗物質體子,目前為止,沒看到具體的訊號,只給出了一個下限。一般的探測器100公裏內探測到,說一下100公裏有多少原子,我可以把暗物質碰撞的機率算出來。這是一個截面,碰撞的機率,現在到10的負45次方,還沒有找到它。人們認為再過四五年時間,把實驗室做得更大一點,或許就能探測到機率更低的訊號。
第三種是到 空間間接探測 。 到空間去間接探測暗物質體子在與暗物質體子碰撞以後,會產生看得見的粒子,透過探測這些看得見的粒子去探測看不見的暗物質體子 。中國去年發射的暗物質體子衛星「悟空」就屬於這一種,待會兒詳細介紹。
天上的本底很多,天上的高溫粒子太復雜了,什麽樣的高溫低密度的都有,透過探測什麽樣的粒子能探測暗物質體子?
首先想到探測 反物質體子 ,因為 反物質體子來自於原初粒子碰撞產生的次級粒子,也就是原初粒子,與星際界體、與物質作用才會產生反粒子 。在天上的質子是最多的高能粒子,但是反質子很少,只有質子的 萬分之一 。
暗物質體子湮滅時會產生質子和反質子 ,如果透過產生粒子探測暗物質體子,本底大概高6萬倍,如果反粒子,本底很低,容易探測到。
但是怎麽探測反粒子?
透過 磁場 。
帶電粒子在磁場中偏轉,根據帶電粒子在磁場中偏轉的方向,可以定住帶電粒子的電的極性 。
在天上放一個強大磁場是很難的事,人類花了十幾年時間,希望在天上放一個超導體,到現在為止,都沒成功。這次上天的並不是一個超導磁鐵,而是一個普通的永久磁鐵。總的重量是7噸,要把一個7噸重的東西送到天上去是很難的事,耗資也很大,大概耗資20億美元。
永磁鐵磁場強度不夠強,由於磁場強度的限制,高能粒子增加的時候,偏轉角度越來越小,以至於測不出來,到300個GeV的時候,偏轉角就測不出來了,把偏轉的方向測反了的大概是10%。10%不是一個很大的數目,但是我剛才講了質子和反質子相差1萬倍,10%也就是讓你的本底一下提高了1000倍,顯然測量方法會受到能量限制,隨著能量的增加,這種方式不現實,不能用磁譜儀,我們必須尋找另外的方法。
另外的方法怎麽探測暗物質?
尋找一些 特征訊號 ,比如說 伽瑪射線譜線 ,如果落在GeV以上,探測到伽瑪射線譜線,這就是暗物質體子最強的證據,因為沒有其他的天體物理過程能在GeV以上產生伽瑪射線線譜。
第二個是 高能帶電粒子的電子頻段 。其實它也是一個譜線。由於高能粒子在銀河系裏面傳播的時候,銀河系裏面有磁場,在磁場中傳播它會轉彎,會產生能量。銀河系裏面有大量的背景光,尤其電子跟背景光發生交互作用。 高能電子在銀河系傳播,你看到的不是一個線譜,而是一個連續譜,它的能譜有一個,這個截斷就是暗物質體子的品質,暗物質湮滅產生的高能電子的能量不能超過這個品質 ,這是 暗物質體子的特征 。
我們知道銀河系裏面的物質分布是 盤狀 的,如果我探測到伽瑪射線譜線,分布是球狀的,也可以是雲狀的,這也是暗物質產生的強烈證據。 普通的物質是盤狀的,不可能產生雲狀的伽瑪射線分布,只有暗物質和暗物質交互作用的時候才會產生 。銀河系裏面的暗物質分布和普通物質不一樣,它是球狀分布或者雲狀分布。
最近的觀測有了一些進展,地下有進展,沒看到訊號,天上看到了訊號,但是沒辦法判斷這些訊號來自於暗物質,還是來自於特殊的天體物理構成。AMS看到天上的正電子隨著能量的增加,並沒有下降,而是在上升。多出來的正電子來自哪兒?可能是暗物質,也可能是我們沒弄清楚的特殊的天體物理過程。
十幾年以前,我們在南極放了氣球,觀測到宇宙的電子譜和宇宙線模型相比,也有一個超出,超出的部份來自哪兒,也不清楚。
我們看到了一些訊號,反電子、正電子、電子與宇宙線模型相比,有一些超出。看到了暗物質六個特征裏面的五個,最關鍵的沒看到。現有的探測器由於儀器的靈敏度的限制,或者是分辨的限制、能力的限制,沒辦法把六個特征全部探全。
一般的磁譜儀到了300個GeV的時候,粒子不多了,我們希望用一個新的探測器,測量能段要比AMS-02高10倍以上,把天上的本底區分開來。這就是提出暗物質衛星的依據。
為什麽提出這個計畫?現有的所有的天上的儀器無法給出一個確切的結論:究竟有沒有暗物質?它在哪兒?物理性質是什麽?由於它們能力的限制,沒辦法有明確的進展,我們必須造一個新的探測器上天。