暗物質(zhì)的研究歷程

2016/11/11 14:29:40

21世紀初科學最大的謎是暗物質(zhì)和暗能量。暗物質(zhì)存在于人類已知的物質(zhì)之外，人們知道它的存在，但不知道它是什么，它的構(gòu)成也和人類已知的物質(zhì)不同。在宇宙中，暗物質(zhì)的能量是人類已知物質(zhì)的能量的5倍以上。暗物質(zhì)的總質(zhì)量是普通物質(zhì)的6.3倍，在宇宙能量密度中占了1/4，同時更重要的是，暗物質(zhì)主導了宇宙結(jié)構(gòu)的形成。暗物質(zhì)的本質(zhì)還是個謎�？茖W家認為，整個宇宙有84.5%是由暗物質(zhì)構(gòu)成，但一直未能證明其存在。已有不少天文學家認為，宇宙中90%以上的物質(zhì)是以“暗物質(zhì)”的方式隱藏著。天文學家們稱，根據(jù)當前一些統(tǒng)計資料顯示，我們平�？床灰姷陌滴镔|(zhì)很可能占有宇宙所有物質(zhì)總量的95%，而人類可以看到的物質(zhì)只占宇宙總物質(zhì)量的不到10%。

20世紀30年代，荷蘭天體物理學家奧爾特指出：為了說明恒星的運動，需要假定在太陽附近存在著暗物質(zhì)；同年代，茨維基從室女星系團諸星系的運動的觀測中，也認為在星系團中存在著大量的暗物質(zhì)；美國天文學家巴柯的理論分析也表明，在太陽附近，存在著與發(fā)光物質(zhì)幾乎同等數(shù)量看不見的物質(zhì)。

1930年初，瑞士天文學家扎維奇發(fā)表了一個驚人結(jié)果：在星系團中，看得見的星系只占總質(zhì)量的1/300以下，而99%以上的質(zhì)量是看不見的。不過，扎維奇的結(jié)果許多人并不相信。

自20世紀70年代以來，科學家們根據(jù)對許多大型天體之間，如星系之間的引力效果的觀測發(fā)現(xiàn)，常規(guī)物質(zhì)不可能引起如此大的引力，因此暗物質(zhì)的存在理論被廣泛認同。

2006年1月6日報道，劍橋大學天文研究所的科學家們在歷史上第一次成功確定了廣泛分布在宇宙間的暗物質(zhì)的部分物理性質(zhì)。從事此項研究的科學家們已準備將此項研究結(jié)果公開發(fā)表。

2006年，美國天文學家利用錢德拉X射線望遠鏡對星系團1E 0657-56進行觀測，無意間觀測到星系碰撞的過程，星系團碰撞威力之猛，使得黑暗物質(zhì)與正常物質(zhì)分開，因此發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)存在的直接證據(jù)。天文學家推測，宇宙中最重要的成分是暗物質(zhì)和暗能量，暗物質(zhì)占宇宙25%，暗能量占70%，通常所觀測到的普通物質(zhì)只占宇宙質(zhì)量的5%。因此，探測和研究暗物質(zhì)很可能導致物理學界新的革命。

2007年1月，暗物質(zhì)分布圖終于誕生了！經(jīng)過4年的努力，70位研究人員繪制出這幅三維的“藍圖”，勾勒出相當于從地球上看，8個月亮并排所覆蓋的天空范圍中暗物質(zhì)的輪廓。這張圖是通過引力透鏡原理獲得的。馬賽天文物理實驗室的讓-保羅·克乃伯(Jean-Paul Kneib)參加了這張分布圖的繪制工作，他認為這種“面包丁”的形狀自25億年以來就沒有很大改變，所以我們看到的也就是暗物質(zhì)的形狀。

2007年5月16日出版的《天體物理學雜志》稱，約翰斯·霍普金斯大學天文學家小組利用哈勃太空望遠鏡，探測到了位于遙遠星系團中呈環(huán)狀分布的暗物質(zhì)。天文學家們稱，這是迄今為止能證明暗物質(zhì)存在的最強有力的證據(jù)。這一重大發(fā)現(xiàn)刊登在上。 研究小組成員、天文學家詹姆斯·杰說，“這是第一次探測到有著獨特結(jié)構(gòu)的暗物質(zhì)，它的環(huán)狀結(jié)構(gòu)與星系團內(nèi)部星系以及熱氣體的結(jié)構(gòu)截然不同”。這將有助于天文學家分析暗物質(zhì)與普通物質(zhì)的區(qū)別，理解引力作用是如何影響暗物質(zhì)的。

2009年12月21日，科學家在Souden煤礦中發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)，這是迄今為止最有力的發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)證據(jù)。其他實驗也在探尋來自暗物質(zhì)的信號，比如地下氙（Lux）實驗。美國費米太空望遠鏡則試圖定位暗物質(zhì)，尋找其在空間湮沒（暗物質(zhì)發(fā)生碰撞時，兩個粒子將生成可以被探測器接收到的γ射線）的證據(jù)，但目前沒有任何發(fā)現(xiàn)。

2010年12月12日，中國首個極深地下實驗室——“中
暗物質(zhì)
暗物質(zhì)國錦屏地下實驗室”于在四川雅礱江錦屏水電站揭牌并投入使用，錦屏地下實驗室垂直巖石覆蓋達2400米，是當前世界巖石覆蓋最深的實驗室。它的建成標志著中國已經(jīng)擁有了世界一流的潔凈的低輻射研究平臺，能夠自主開展像暗物質(zhì)探測這樣的國際最前沿的基礎(chǔ)研究課題。清華大學實驗組的暗物質(zhì)探測器已經(jīng)率先進入實驗室，并啟動探測工作，而2012年上海交通大學等研究團隊也將進入這里開展暗物質(zhì)的探測研究。

2011年5月，意大利暗物質(zhì)探測無果，該研究結(jié)果質(zhì)疑其它發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的結(jié)果。有科學研究表明，大麥哲倫星系（距銀河系約16萬光年）未被銀河系的引力撕碎的原因可能是因為暗物質(zhì)的影響，使大麥哲倫星系幸免于難。

日內(nèi)瓦時間2013年4月3日下午5點（北京時間2013年4月4日零點），諾貝爾物理獎獲得者丁肇中教授在日內(nèi)瓦歐洲核子中心，首次公布其領(lǐng)導的阿爾法磁譜儀（AMS）項目18年之后的第一個實驗結(jié)果——已發(fā)現(xiàn)的40萬個正電子可能來自一個共同之源，即脈沖星或人們一直尋找的暗物質(zhì)。

至2013年，尋找暗物質(zhì)粒子、研究暗能量的物理本質(zhì)、探索宇宙起源及演化的奧秘、結(jié)合粒子物理和宇宙學的研究已成為21世紀天文學和物理學發(fā)展的一個重要趨勢。諾貝爾物理學獎獲得者李政道教授曾多次指出：“暗物質(zhì)是籠罩20世紀末和21世紀初現(xiàn)代物理學的最大烏云，它將預示著物理學的又一次革命�！�

2013年4月18日，美國物理學會的科學家報告稱，在實驗中發(fā)現(xiàn)大質(zhì)量弱相互作用粒子的信號強度達到3個西格瑪水平，他們發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的可能性達到99.8%。

2013年4月，當?shù)貢r間3日，諾貝爾獎獲得者、華裔物理學家丁肇中及其阿爾法磁譜儀項目團隊宣布的成果，讓人類在認識暗物質(zhì)的道路上邁出重要一步。丁肇中團隊借助阿爾法磁譜儀已發(fā)現(xiàn)40萬個正電子，這些正電子可能來自人類一直尋找的暗物質(zhì)（正電子是反物質(zhì)，和暗物質(zhì)是完全不同的概念）。阿爾法磁譜儀首批研究成果“將有助于促進對基礎(chǔ)物理學和天體物理學領(lǐng)域新的理解”，“我們期盼更多來自這一項目的令人激動的成果”。阿爾法磁譜儀(AMS)項目重大成果，該成果有可能證明暗物質(zhì)確實存在。

北京時間2014年9月18日，程林教授團隊與丁肇中合作的AMS項目重大成果發(fā)布會在瑞士日內(nèi)瓦舉行，丁肇中主持的實驗室公布AMS項目最新研究成果，宇宙射線中過量的正電子可能來自暗物質(zhì)。丁肇中特委托山東大學程林教授在國內(nèi)發(fā)布有關(guān)成果。在已完成的觀測中，證明暗物質(zhì)存在實驗的6個有關(guān)特征中，已有5個得到確認。