大家好,我是中科院紫金山天文台副台长,研究员,中国暗物质粒子探测卫星首席科学家 常进 。很高兴有机会在这里,把暗物质的情况给大家分享一下。接下来我就给大家简单科普一下什么叫暗物质,暗物质是怎么发现的,相关的构成,以及如何探测暗物质,国际目前最新的探测暗物质的情况是什么样的……
我们是天文观测者,唯一的特长是用 望远镜 去观测。所有的问题,我们都希望能通过望远镜看清楚,希望通过物理的探测,研究它物理的本质。
打个比方,我们的工作就像人口普查,只不过为了弄清地球上人口的分布情况,我们可能是通过造一个望远镜到天上去,晚上来观测地球表面的发光情况,根据光亮的大小,把人口估算出来。
可是没有亮光,是不是就没有人呢?通过发光的方法研究人口,其实不一定准确。
回过头来,我们讲暗物质的发现。
测量物质的分布,其实跟刚才一样,也可以通过 发光 的方法。 消除了距离的不确定因素、发光的多少、强度的大小,就可以把整个天体的质量大概的估算出来 。
我们把这个问题引入到更宏观,测量天体的质量。
其中一种方法是 测量天体的发光度 , 根据发光的强度算出来发光物质的质量 。
还有一种方法, 根据万有引力定律,测量物质的质量或者天体的质量 ,即是去 测量速度和距离的关系 , 把速度和距离测出来了,天体的质量就可以测出来 。
人造卫星绕地球转的时候,把人造卫星到地球的距离测出来,人造卫星在该距离上的速度测出来,地球的质量就测出来了。卫星离地球远的时候,速度会慢下来,离地球近,速度会很快。当我们观测到如果人造卫星离地球很远的时候,它还保持那么高的速度的话,人造卫星肯定要跑出地球,进入太阳系。如果速度再大,它就可能飞出太阳系。
上世纪三十年代,瑞士天文学家Fritz Zwick在研究Coma星系团的时候发现 星系团中的星系弥散速度非常大 ,根据维里定理计算出的星系团的总质量要远大于根据发光度计算出来的星系团质量。也就是说星系的运动速度太快了,仅靠星系团中的发光物质是束缚不住速度如此大的天体的。他推测星系团中存在着大量不发光的物质,并称之为暗物质。
小朋友弄一个球,绕着绳子转,转的速度越来越快,球肯定要飞出去,道理是一样的。
当时测量星系的速度,光谱仪的测量精度还不是很高,尽管他当时提出了暗物质的想法,但是并没有得到大家的认可,大家认为有可能是系统误差,测不准。
过了三四十年,到上世纪70年代,美国有一个女天文学家Vera Rubin(她除了诺贝尔奖外,已经得到了物理学上所有的奖)。她当时观测速度采用的是世界上最先进的 光谱议 ,测量的误差很小,也就是说测量技术没问题。
她观测的不是星系团,而是 星系里面恒星和其他星际物质的旋转速度 ,根据万有引力定律,随着距离的增加,速度往下降。但是她发现实际观测中,距离增加时,速度并没有往下降,跟万有引力相差比较大。
星系里面这些物质的旋转速度太快了,光靠发光物质的引力无法将恒星束缚在星系里面。如果质量的分布就是发光物质的分布的话,这些物质早就跑到星系外。现在没有这样,这说明 星系里面必然存在大量的看不见的物质 , 也就是暗物质 ,其产生的引力才能将这些物质束缚在星系里。
这个就是暗物质的概念。从上世纪70年代开始,渐渐得到了人们的认可。
这位女天文学家早期研究的是星系成群还是 随机分布 。现在我们知道,存在大量的看不见的暗物质,首先形成网,像引力井一样,可见物质掉到引力井里面,渐渐形成了恒星、星系、星系团,星系团肯定是成团分布的,宇宙网的基点上是星系团。
这些认识现在得到了大家的认可,但是在上世纪50年代,她博士论文中的这个结论,却15年没有得到认可,因为按照当时的理论分析,星系应该是随机分布的,均匀分布的星系是不会成团分布的。
银河系里面的恒星有 四大旋臂 ,这些恒星都在臂上,并不是在星系里面均匀分布,也是成群、成团的分布。现在这些问题很容易解释,在那个时代,还没有人发现。研究星系旋转曲线,得到了暗物质概念,基本上她算成功了。
其实,她发现暗物质之前,一个丹麦天文学家早就发现了银河系里面的恒星旋转,其速度并没有随着距离的增加而降低,而是保持不变。但他认为可能是测量的问题,可能是系统误差,他尽管发表了,但是没去解释暗物质,从其他方面去解释的。
这告诉我们,在研究过程中,一些看似不起眼的蛛丝马迹,很可能会导致重要的发现。对一些特殊的现象,要深入的研究,而不是简单的把它放过去。
我们再看太阳系。按照发光物质的分布,太阳与银河系的中心大概是8KPC(KPC:千秒差距,天文学上量度距离的单位,1KPC等于一千个秒差距或者3260光年)的距离,推断出来的速度是每秒160公里,而最新的测量数据是每秒240公里。也就是说,理论上发光物质的分布得到的速度要高50%,太阳系必须存在大量的看不见的暗物质,否则太阳就飞出银河系。
刚才是旋转曲线,人们认为牛顿的万有引力定律,可能在宇宙学的尺度上存在问题,要得到距离和速度的关系,我们可以通过修改万有引力定理得到曲线。
星系发光物质的分布,当然可以通过 钱德拉望远镜 把它观测出来。
研究两个星系的质量分布,我们还可以通过另外一种方法, 引力透镜 。
今年年初引力波很轰动,根据爱因斯坦的广义相对论, 光线在引力场中不是沿直线传播的,而是会有一定弯曲。根据光线的弯曲的大小,可以把质量分布测出来 。
两个星系团碰撞时,暗物质不发生相互作用,有没有物质,产生的速度一样。但是普通物质和普通物质之间存在着相互作用,所以它走的慢一点。这样就形成了一个只包含暗物质的区域,这样的观测结果是无法用修改引力的方法很好的解释的。
世界上没有一个容器能把暗物质装起来, 暗物质与普通物质不发生任何相互作用 ,任何东西都挡不住暗物质。想把它抓住,不可能,它会从你的身上溜走。这种观察技术出来以后呢,基本上暗物质越来越受到大家的认可。
宇宙中 95%的是看不见的物质——暗物质和暗能量 ,其中 暗物质占宇宙的总能量密度的27%,人类只弄清了宇宙的5%(即可见物质) 。
根据当前的观测技术,基本上可以把暗物质的物理性质统计出来,不发光,密度大。 可见物质是5%,暗物质是可见物质的5倍,27% 。暗物质寿命长,它 来自于宇宙大爆炸 ,现在已经 138亿年 ,如果暗物质的寿命很短的话,它早就衰变了,不存在了。
由于标准模型中的所有基本粒子,人类已经发现了,所有的基本粒子我们都找到了,没有一个基本粒子与暗物质粒子相匹配,标准模型中所有的粒子都不满足这些性质。也就是说, 如果我们找到了暗物质粒子,它肯定不在标准模型里面 ,这也就意味着现有的标准的物理学模型会得到突破。这也是为什么暗物质这么热。
宇宙中最不可理解的事,是宇宙居然是可以理解的 ,这是爱因斯坦讲的,他完成了广义相对论,说出了这一段话,通过广义相对论,他认为能把整个宇宙了解了。但是他把这个话说早了,现代宇宙还没有完全理解,因为暗能量和暗物质还没弄清楚,宇宙到现在为止,还是不可以理解的。
现在是一个探测暗物质的时代,把暗物质弄清楚,肯定会导致物理学革命。
怎么探测呢?有三种方法。
第一种是 在加速器上模拟宇宙大爆炸 。
加速器探测就是通过高能粒子碰撞,模拟宇宙大爆炸,将暗物质粒子打出来,然后去探测,这比较容易理解。
人们弄清楚了高能粒子都是可见的,通过可见的高能粒子碰撞,产生看不见的暗物质粒子。
世界上最大的加速器在瑞士,有两个大的实验装置,一个是 ATLAS ,一个是 CMS ,这两个设备都耗资10亿元以上,用来探测最高能的基本粒子。在暗物质问题上,已经工作了五六年了,还没有取得任何革命性的进步。对暗物质不同的模型,提出了一些限制,但是没有根本性的找到暗物质粒子。
第二种方法, 在地下直接探测, 即 在地下直接探测暗物质粒子与普通原子核碰撞产生的信号 。
暗物质粒子和普通原子也许会存在碰撞,就像两个小球碰撞一样。暗物质不可见,但是暗物质和普通的原子核碰撞以后,普通的原子核会动起来,如果原本静止的原子核动了一下,就可能是暗物质碰撞引起的。这种方法就是通过探测暗物质粒子与普通原子核碰撞产生微弱信号来探测暗物质粒子。
为什么要到地底下去呢?
我必须把 本底 加上。
其一是我们的地面上,使用的一般材料里面都有很微量的 放射性元素 , 这些放射性元素衰变的时候,发出的能量范围和暗物质粒子碰撞范围一样 。
其二是 宇宙线 ,天上随时随地有大量的高能粒子飞到大气里面,高能粒子和大气作用,产生大量次级粒子,这些次级粒子也是暗物质粒子探测的本底。
把宇宙射线本底屏蔽掉,必须放在地底下 。放的越深,宇宙射线产生的本底会越低。这种实验很热,韩国、中国台湾都有这样的实验去探测暗物质。
我们国家将在锦屏山地下建世界上最深的地下实验室来探测暗物质。我们国家的实验室深2500米。它不是往地底下去,而是在高山打隧道,在隧道里面建实验室。在四川的锦屏山雅砻江,为了建这个实验室,打了一个隧道,穿过锦屏山。
如果我们要探测暗物质跟原子核的碰撞,现在有三种物质可用于实验,一种是 半导体硅 ,让 硅原子和暗物质碰撞 。另一种是 氙气 ,氙是 惰性气体 , 大气里面会存在微量的氙 。还有 氩 。
假设暗物质的质量是120个氢原子核,一个人是50公斤,每秒钟是5亿个暗物质粒子穿过你。如果是一个GeV呢,提高10倍,每秒钟有50亿个暗物质粒子穿过你。不要害怕,如果穿过你,和你发生影响了,我们早就探测到暗物质粒子了,现在探测不到就是因为它和你没有发生任何相互作用,我们找不到。
探测方法有两种,一种是 时间调制法 ,一种是 事例搜寻 。
地球绕太阳转是圆圈,太阳绕银河系也在转。从银河系里面假定一个暗物质风,不停的吹出来。春天,暗物质风和地球运动的方向是一致的。秋天是相反的,绕了一圈,有时跟暗物质同向,有时跟暗物质反向。
这就好比如果你和人群是同方向运动时,你每秒钟碰到的人数基本上不变;如果和人行的方向相反,不停的碰到不同的人。因为你碰到的暗物质粒子一年四季不一样,会看到一个调制现象,春天多,秋天少。根据时间变化,我们可以找到暗物质。 根据一年四季碰到的暗物质粒子的数目不一样,探测变化的曲线 ,这是 时间调制法 。
我们中国科学院高能物理所和罗马的几个大学合作,在意大利探测到了调制曲线。春天、夏天、冬天温度是变化的,湿度是变化的。由于温度湿度的变化,大气的变化,都会产生这些调制现象。调制究竟来自于暗物质,还是来自于一年四季气侯的变化,现在还没有弄清楚。
现在的实验做调制,是一个放在南半球,一个放在北半球。如果看到的调制是一样的,基本排除了细微的变化。
但是时间调制法需要很长时间,这个实验做了八年,到现在还没有得到认可,也许过一段时间,能得到肯定的结论。
我们刚才讲了,所有的本底来自宇宙射线和材料,通过材料、集团到地底下,把本体降为零,如果来一个信号,肯定来自暗物质粒子。无法区分的本底,通过探测器的技术把它区分开。原子核动一下是一个能量,把能量转变成光信号、电信号、热信号,通过探测光、电、热来探测暗物质粒子。也就是说, 把暗物质粒子碰撞的原子核能量转变成光信号、电信号、热信号,通过光的变化、电的变化和温度的变化探测暗物质粒子 。这是台湾在使用的技术,不是新的技术。要是把三种技术组合在一起,我们可以把暗物质粒子产生的反射原子核的信号和宇宙线本底区分开来,探测暗物质粒子。
把暗物质粒子碰撞原子核产生的信号转变成光、电和热信号来探测暗物质粒子。这样的我们有两个实验室,一个是清华大学的,把暗物质产生的信号转变成电信号探测暗物质粒子。另一个是上海交大的,是让暗物质粒子和大气里面的惰性气体原子核碰撞,原子核动一下会发光。把探测器加上强电场,通过探测光和电两个信号来探测暗物质粒子。
世界上那么多实验室探测暗物质粒子,目前为止,没看到具体的信号,只给出了一个下限。一般的探测器100公里内探测到,说一下100公里有多少原子,我可以把暗物质碰撞的概率算出来。这是一个截面,碰撞的概率,现在到10的负45次方,还没有找到它。人们认为再过四五年时间,把实验室做得更大一点,或许就能探测到概率更低的信号。
第三种是到 空间间接探测 。 到空间去间接探测暗物质粒子在与暗物质粒子碰撞以后,会产生看得见的粒子,通过探测这些看得见的粒子去探测看不见的暗物质粒子 。我国去年发射的暗物质粒子卫星「悟空」就属于这一种,待会儿详细介绍。
天上的本底很多,天上的高温粒子太复杂了,什么样的高温低密度的都有,通过探测什么样的粒子能探测暗物质粒子?
首先想到探测 反物质粒子 ,因为 反物质粒子来自于原初粒子碰撞产生的次级粒子,也就是原初粒子,与星际界体、与物质作用才会产生反粒子 。在天上的质子是最多的高能粒子,但是反质子很少,只有质子的 万分之一 。
暗物质粒子湮灭时会产生质子和反质子 ,如果通过产生粒子探测暗物质粒子,本底大概高6万倍,如果反粒子,本底很低,容易探测到。
但是怎么探测反粒子?
通过 磁场 。
带电粒子在磁场中偏转,根据带电粒子在磁场中偏转的方向,可以定住带电粒子的电的极性 。
在天上放一个强大磁场是很难的事,人类花了十几年时间,希望在天上放一个超导体,到现在为止,都没成功。这次上天的并不是一个超导磁铁,而是一个普通的永久磁铁。总的重量是7吨,要把一个7吨重的东西送到天上去是很难的事,耗资也很大,大概耗资20亿美元。
永磁铁磁场强度不够强,由于磁场强度的限制,高能粒子增加的时候,偏转角度越来越小,以至于测不出来,到300个GeV的时候,偏转角就测不出来了,把偏转的方向测反了的大概是10%。10%不是一个很大的数目,但是我刚才讲了质子和反质子相差1万倍,10%也就是让你的本底一下提高了1000倍,显然测量方法会受到能量限制,随着能量的增加,这种方式不现实,不能用磁谱仪,我们必须寻找另外的方法。
另外的方法怎么探测暗物质?
寻找一些 特征信号 ,比如说 伽玛射线谱线 ,如果落在GeV以上,探测到伽玛射线谱线,这就是暗物质粒子最强的证据,因为没有其他的天体物理过程能在GeV以上产生伽玛射线线谱。
第二个是 高能带电粒子的电子频段 。其实它也是一个谱线。由于高能粒子在银河系里面传播的时候,银河系里面有磁场,在磁场中传播它会转弯,会产生能量。银河系里面有大量的背景光,尤其电子跟背景光发生相互作用。 高能电子在银河系传播,你看到的不是一个线谱,而是一个连续谱,它的能谱有一个,这个截断就是暗物质粒子的质量,暗物质湮灭产生的高能电子的能量不能超过这个质量 ,这是 暗物质粒子的特征 。
我们知道银河系里面的物质分布是 盘状 的,如果我探测到伽玛射线谱线,分布是球状的,也可以是云状的,这也是暗物质产生的强烈证据。 普通的物质是盘状的,不可能产生云状的伽玛射线分布,只有暗物质和暗物质相互作用的时候才会产生 。银河系里面的暗物质分布和普通物质不一样,它是球状分布或者云状分布。
最近的观测有了一些进展,地下有进展,没看到信号,天上看到了信号,但是没办法判断这些信号来自于暗物质,还是来自于特殊的天体物理构成。AMS看到天上的正电子随着能量的增加,并没有下降,而是在上升。多出来的正电子来自哪儿?可能是暗物质,也可能是我们没弄清楚的特殊的天体物理过程。
十几年以前,我们在南极放了气球,观测到宇宙的电子谱和宇宙线模型相比,也有一个超出,超出的部分来自哪儿,也不清楚。
我们看到了一些信号,反电子、正电子、电子与宇宙线模型相比,有一些超出。看到了暗物质六个特征里面的五个,最关键的没看到。现有的探测器由于仪器的灵敏度的限制,或者是分辨的限制、能力的限制,没办法把六个特征全部探全。
一般的磁谱仪到了300个GeV的时候,粒子不多了,我们希望用一个新的探测器,测量能段要比AMS-02高10倍以上,把天上的本底区分开来。这就是提出暗物质卫星的依据。
为什么提出这个项目?现有的所有的天上的仪器无法给出一个确切的结论:究竟有没有暗物质?它在哪儿?物理性质是什么?由于它们能力的限制,没办法有明确的进展,我们必须造一个新的探测器上天。