造就第317位讲者袁强

紫金山天文台研究员

暗物质粒子探测卫星「悟空」团队成员

暗物质的概念是怎么来的？这要从一个等式说起。

我们可以称之为宇宙定律，它的名字叫爱因斯坦的场方程，它还有一个名字叫广义相对论的场方程，它还有一个低级版本，牛顿万有引力定律，肯定有更多人知道。

这个方程描述了宇宙中物质之间的引力关系，但是在天文观测中，我们经常发现这个方程似乎是站不住脚的。

暗物质就是从这样的反常现象中发现的。

人类如何发现暗物质可能存在？

在爱因斯坦出生之前，人们用牛顿定律来理解天体的运动。

当时大家只知道太阳系有七大行星，从内到外分别是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星。它们都在引力的作用下围绕太阳运动。

通过牛顿万有引力定律，人们可以精确计算出每颗行星的运行轨迹，预测出今天和明天行星应该出现在哪里。

不仅可以很好地把握太阳对它们的影响，还可以很好地把握行星之间的相互作用和运行规律，计算结果可以与观测结果很好地吻合。

只有最外围的天王星是个例外。它的运动总是表现出一些不规则性。人们期望它在某个位置。其实总是有点偏，让人很迷茫。

1843年至1846年，两位年轻的天文学家英国的JohnCouchAdams和法国的Levie分别通过万有引力定律计算出天王星之外还有一颗未知行星，影响了天王星的运动。

1846年，德国天文学家GalleJohannGottfried在亚当斯和列维预测的天体区域用望远镜发现了这颗行星，后来被称为海王星。

这件事给我们什么启示？也就是说，如果你发现已有的定律什么地方不太对劲，那么这很可能意味着，在某些地方存在某些不为人知的东西。

这种现象一直困扰着学术界。

1930年，瑞士天文学家FritzZwicky在观测星系团(几个星系相互之间有一定机械联系的星系团)时发现了一个奇怪的现象。一些星系的运动速度远远超过了星系团本身的逃逸速度。

逃逸速度是什么概念？

众所周知，当我们发射的火箭和宇宙飞船达到第一宇宙速度时，可以绕地球做匀速圆周运动。如果这个速度更快，达到所谓的第二宇宙速度，那么飞船或火箭就可以脱离地球引力，飞离地球。这是逃逸速度。

Zwicky之所以发现这种现象是不可思议的，是因为按照原来的认知，这个星系团应该早就分崩离析了。

所以他做了一个大胆的猜测，在这个星系团中很可能存在一些我们现在还看不到的物质，它们提供了额外的引力来阻止这些星系逃跑。

这是暗物质存在的有力证据，Zwicky现在被公认为暗物质研究的先驱。

1970年左右，人们发现了另一个现象，即星系周围物质的运动规律与星系的自转曲线相反。

星系的自转曲线是指星系中不同位置的天体绕星系中心运动的速度遵循这样的规律：离太阳越近越快，离太阳越远越慢。我们可以根据万有引力定律计算出星系在不同位置的预期速度。

但现实是如图所示，我们看到绿点越走越快，和我们的体验完全相反。

这一现象再次指向之前的猜测，——处于星系的黑暗区域，很可能存在大量的物质，这些物质提供了某种引力，加速了其他天体的运动。

至今，类似的证据不胜枚举。有人可能会想：爱因斯坦的方程有问题吗？

这种可能性完全存在。爱因斯坦的理论显然不应该是宇宙的终极理论，未来，我们有可能会超越爱因斯坦。在我们研究这个问题的过程中，有两个值得注意的地方：

第一，我们已经充分检验了爱因斯坦的广义相对论，爱因斯坦的理论在我们力所能及的范围内是准确的；

第二，有些学者也在试图修正爱因斯坦的理论，但其实难度很大。他们做的修改只能解决一部分问题，但是放到其他问题上就没有意义了，所以需要做其他的修改，也就是说，至今没有突破。

这两点告诉我们：如果宇宙中确实存在暗物质，哪怕现在看起来不那么好理解，那么我们这个宇宙反而是更容易理解的。

甚至暗物质最好也存在。它的存在对我们来说至关重要，因为它可以加速星系的形成。

如果宇宙中没有暗物质，就不会有银河系，不会有太阳系，也不会有我们。所以，某种程度上，我们要感谢暗物质给了我们存在的机会。

暗物质是怎样的一种存在？

既然我们相信暗物质的存在，或者希望它存在，那么它到底是什么呢？目前我们对暗物质的理论定义是：通过天文观测可能存在于宇宙中的一种看不见的物质。这就是为什么它被称为& quot暗物质& quot。

这个动画展示了计算机模拟。

出来的暗物质在宇宙中的分布状况，我们的银河系大概就相当于画面中的一个小点，由此可见宇宙有多么宏大多么壮观！

那么暗物质在其中的占比是多少呢？从能量的角度看，占了68%；从物质的角度看，占了27%；而我们所熟悉的那些普通物质，只有5%。概括地来说，暗物质在宇宙中处于一种稀疏、不均匀分布的状态，在亚星系尺度上有一些团状结构。

理论上说，地球附近包括我们周围也应该有暗物质。根据天文学家的测量，一个立方厘米，就是我们一个手指头这么大的空间里面，暗物质的质量大概等同0.3个氢原子，如果我们把整个地球的暗物质收集起来，总共不到一公斤，所以暗物质对我们的生活几乎没有任何影响。

普通物质是由各种各样的粒子构成的，如果暗物质存在的话，那它可能是什么样的粒子呢？

这个表是粒子物理的标准模型，已知的宇宙都是由这些粒子构成的，但是当我们拿它去跟我们认识到的暗物质属性做比对的时候，却发现没有一种已知的粒子可以满足这些属性。

这说明了暗物质很可能是一种超出标准模型的新粒子，更具体来说，是一种弱相互作用的大质量粒子。目前我们对暗物质的认识，也就到这一步。

如何寻找暗物质？

既然我们对暗物质有了这么一个框架性的或者叫方向性的认知，下一个问题自然就是：我们能不能探测到这样的粒子，以及如何探测？

目前的办法有这么几种：第一种比较简单粗暴，通过高能粒子对撞，直接把暗物质造出来，但是位于欧洲核子中心的全球最大型粒子对撞机，至今还未发现暗物质的存在。

第二种办法可以叫「入地」。我们身边的这些暗物质粒子，它有可能和我们有一种很微弱的相互作用，需要非常精密的仪器才能探测到，由于空气中有大量的宇宙射线粒子，它们会对实验形成很强的干扰，所以我们必须把实验放在很深的地下实验室去做。

中国在四川锦屏山下建了深地实验室，目前正在开展两个暗物质探测实验，照片上是上海交通大学PandaX暗物质探测团队。

虽然至今也还没发现暗物质粒子的信号，但他们对暗物质粒子属性给出了一个很强的约束，已经是目前世界上灵敏度最高的实验结果。

第三种办法就是「上天」，因为暗物质湮灭之后会产生一些标准模型粒子，也就是普通粒子，而地球大气层把这些粒子的大部分都挡在了外面，通过发射卫星探测器，我们在大气之外观察这些宇宙高能射线粒子，可以间接地寻找暗物质。

我们有一颗叫做「悟空」的暗物质粒子探测卫星，它是全世界观测能段最宽、分辨率最高、本底最低的暗物质探测器。

「悟空」这个名字是由一位叫林磊的网友取的，他是一位天文爱好者。这个名字取得非常传神，从字面意思看，是「领悟虚无」，正好跟探测暗物质的这个事情契合；其次，孙悟空有一双能看清宇宙万象的火眼金睛，我们的探测器也应该具备这样的能力。

那么悟空看到了什么东西？

我们去年底发表了第一个成果，在国际上引起了很大的反响。横轴是宇宙射线里一种叫电子的能量，纵轴反映的是不同能量的粒子数。

这个图只是反映我们看到的现象，还有很多无法解释的东西，比方说图上有一个点好像突然就跳上去了，这里是不是存在暗物质呢，还需要进一步的研究。

《自然》和《科学》的社论称，悟空开启了中国空间科学的新纪元。

如果找不到暗物质？

如果找不到暗物质怎么办呢？这是我经常被问到的一个问题。

我认为找到暗物质当然很好，那将是一个非常大的进展。但就算没有找到暗物质，也并不代表我们的努力是没有意义的。它意味着我们需要去突破爱因斯坦的理论，我们对宇宙基本规律的认知，还需要一个飞跃。

在热力学能量守恒定律被提出来以前，曾有很多人想制造出「永动机」，尽管最后都以失败而告终，但这些失败的尝试很大程度上推动了我们最终发现能量守恒定律。

当然，我个人不希望暗物质的探测是这样的一种结局。

人类为什么要探索宇宙？对我而言，就是我为什么要去探索暗物质？即使明知道它对我们生活的影响微乎其微。

回顾历史我们就会发现，基础科学的每一次突破，都会带来技术上的重大飞跃，对我们的思维方式和生活方式产生重大影响。

暗物质究竟能够给我们带来什么？

谁又知道呢？