暗物质揭秘行星运动之谜
暗物质揭秘行星运动之谜
暗物质，这个神秘的宇宙成分，正逐渐揭开行星运动的秘密。研究表明，暗物质通过引力作用影响星系的旋转速度，进而影响行星的运动轨迹。科学家们通过观测螺旋星系NGC 3198的旋转曲线，发现了暗物质光晕的存在，这为解释行星为何能在宇宙中稳定运行提供了重要线索。暗物质不仅是星系稳定性的关键因素，也在整个宇宙的大尺度结构中扮演着不可或缺的角色。
暗物质的发现：从意外观测到科学共识
暗物质的发现源于一次意外的观测。20世纪30年代，瑞士天文学家弗里茨·兹威基在研究后发座星系团时注意到一个奇怪的现象：星系团中星系的运动速度远远超过了星系团的可见物质所能提供的引力。按照传统的引力定律，如果没有足够的引力来约束这些星系，它们早就应该被甩出星系团。但事实却并非如此，星系团中的星系依然稳定地聚集在一起。基于这种观测结果，兹威基提出了一种大胆的假设：在星系团中存在一种我们看不见的“暗物质”，其质量远远大于可见物质，提供了额外的引力来维持星系团的结构。
这一发现最初并未引起广泛关注，因为当时的观测结果仅局限于个别星系，对暗物质的概念也较为模糊。直到1980年代，杰出的女性天文学家、暗物质研究先驱维拉·鲁宾及其同事通过观测大量螺旋星系的旋转曲线，进一步证实了暗物质的存在。鲁宾在她的研究中发现，星系外围恒星的旋转速度与星系中心恒星的速度几乎相同，这种情况在数百个星系中都得到了重复验证，其中包括距离我们所处银河系最近的仙女座星系。
探测暗物质：从地下实验室到太空望远镜
既然天文学的观测结果说明了宇宙中存在大量暗物质，其甚至占全部物质总质量的85%。但仅以理论推衍却是无法呈现出直观的效果，想要对暗物质进一步展开研究，就必须捕捉到它。什么是暗物质，它是气态、离子态、还是哪一种未知的状态？我们选取一些探索方式展开介绍。
引力透镜：通过光的弯曲窥探暗物质
引力透镜不是常规概念中真实存在的透镜，而是一种现象，是爱因斯坦的广义相对论预言的一种宇宙效应。简单来说。当光线经过一个巨大质量的天体附近时，光的路径会发生弯曲，就像透过一块巨大的放大镜或透镜。哈勃太空望远镜在阿贝尔1689星系团中的观测结果为研究提供了重要支持。
阿贝尔1689是一个距离地球大约22亿光年的巨型星系团，其内部包含着数千个星系和大量的暗物质。哈勃太空望远镜拍摄到的图像中，显示出强引力透镜效应形成的“透镜弧”，这些弯曲的光弧实际上是来自更遥远背景星系的光在穿过阿贝尔1689时被弯曲的结果。通过分析这些弯曲的光线，科学家们可以推算出阿贝尔1689星系团的质量分布。引力透镜效应如暗物质留下的“指纹”，帮助科学家绘制出看不见的质量是如何在宇宙中分布的。
黄金探针：地下实验室的核反冲信号
既然无法直接观测暗物质的形貌，那么捕捉暗物质与普通物质发生的微小反应是一种可行方案。当暗物质穿过实验探测器会撞击到探测器中的原子核，使得原子核发生反冲。这种反冲非常微弱，就像是我们用微风吹动了一粒尘埃，几乎难以察觉。所以暗物质探测实验的首要挑战是如何屏蔽来自宇宙射线的干扰。宇宙射线是来自外太空的高能粒子，穿透力极强，这种信号会干扰真正的暗物质粒子信号，因此实验必须采取多重屏蔽措施。
科学家们选择将实验室设置在深山或矿井之下，利用厚厚的岩石层作为天然屏障，才能将宇宙射线的强度降低到可接受的水平。随着深度的增加，宇宙射线的强度会指数级减弱。故此，世界各国都在大力建设深地下实验室，用于暗物质探测研究，例如位于南达科他州的DUSEL、加拿大的SNO、法国的Modane以及位于我国四川省锦屏山的锦屏地下实验室（CJPL）。
锦屏地下实验室是全球最深的地下实验室之一，岩石覆盖超过2400米。由于其深度和天然屏蔽效果，锦屏地下实验室被认为是目前全球背景辐射最小的实验室之一，成为PandaX-4T和CDEX等暗物质探测项目的重要基地。
痕迹追踪：来自太空的宇宙射线
理论上的暗物质候选体多种多样，其中一种称为“弱相互作用大质量粒子”(weaklyinteractingmassiveparticles,WIMP)的候选粒子被认为最可能构成暗物质。对它们的间接探测就是探索其发生湮灭或衰变后留下的痕迹，如伽马射线、宇宙射线或者幽灵般的中微子等。
伽马射线是一种能量极高的电磁波，通常会在宇宙中非常剧烈的事件中产生，比如超新星爆发或黑洞周围的剧烈活动。但如果暗物质粒子在相互碰撞时发生了湮灭，就有可能释放出伽马射线。当观测到宇宙中某处的伽马射线的亮度比预期要高得多时，便可以猜测是大量暗物质粒子在此区域发生了湮灭。除了伽马射线，科学家们还在追踪一种特殊的粒子流--宇宙射线。它通常是由太阳风、超新星爆发或其他天体事件产生的。但如果暗物质粒子在湮灭或衰变时也释放出这些粒子，我们就能在宇宙射线中找到一些异常，它们可能会产生一种特殊的粒子对，比如正电子和反质子。为了观测并分析伽马射线与宇宙射线等信息，中国科学院部署了战略性先导科技专项支持，DAMPE卫星--“悟空号”于2015年研制完成并于当年12月17日成功发射。
悟空号的能量分辨率极高，其传回的数据中观测到约250个伽马射线源，包括活动星系核、脉冲星和脉冲星风云、超新星遗迹、伽马射线双星等天体类别。
最新突破：LZ实验的创新与发现
2024年8月26日，宾夕法尼亚州大学的研究团队参与的国际合作项目LUX-ZEPLIN（LZ）在暗物质探测方面取得了新进展，标志着这一领域的又一次重要突破。暗物质被认为占据了宇宙85%的质量，尽管从未被直接探测到，但其存在通过多项天文观测得到了间接证实。LZ实验作为目前世界上最灵敏的暗物质探测器，旨在探测弱相互作用大质量粒子（WIMPs），这一粒子被认为是暗物质的主要候选者。
LZ实验位于南达科他州的桑福德地下研究设施，深达近一英里，能够有效屏蔽来自宇宙的干扰信号。研究团队通过280天的数据分析，设定了WIMPs的新限制，未发现质量超过9 GeV/c²的WIMPs的证据。这一结果显著缩小了WIMPs可能存在的范围，进一步限制了不符合数据的暗物质模型。LZ的灵敏度是以往探测器的50倍，得益于其多层结构和先进的分析技术，能够有效减少背景噪声。
在这一过程中，LZ实验的成果为我们提供了更深入的理解。研究人员通过收集粒子相互作用中发出的光和电子，捕捉潜在的WIMP信号。LZ实验首次应用了“加盐”技术，即在数据收集过程中添加假WIMP信号，以避免无意识的偏见。这一创新方法不仅提高了数据的可靠性，也为未来的研究提供了新的思路。
争议与挑战：暗物质理论的未来
尽管暗物质理论在解释宇宙现象方面取得了巨大成功，但科学探索永无止境。最近，加拿大渥太华大学物理学教授拉金德拉·古普塔提出了一项挑战传统暗物质理论的新研究。古普塔结合共变耦合常数理论和疲光理论，提出宇宙中可能根本不存在暗物质。这一理论已经通过初步测试，并与某些观测结果相吻合。
古普塔表示：“在标准宇宙学中，宇宙的加速膨胀被认为是由暗能量引起的，但实际上是由于自然力在膨胀时减弱，而不是暗能量。”这一发现为探索宇宙的基本性质开辟了新的途径，同时也提醒我们，科学理论需要不断接受新的观测和实验的检验。
暗物质，这一看不见、摸不着的神秘物质，是笼罩在宇宙中的一片乌云。尽管它不发光也不反射光，但它的引力作用无处不在，塑造着星系的旋转、宇宙的结构，甚至可能影响着宇宙的未来。在追寻它的过程中，人类就像黑暗中前行的旅人，从20世纪早期的星系旋转异常，到维拉·鲁宾的开创性观测，再到现代引力透镜的微妙弯曲和地下实验的“黄金探针”，科学家们正在用多种手段拼凑出暗物质的轮廓。
各国最先进的探测器和实验室，就像在无边夜色中点燃的无数萤火虫，正为这片黑暗带来微光。引力透镜的光弯曲、伽马射线望远镜的异常信号、液态氙探测器中的核反冲闪光……这些点滴的“微光”正在逐渐汇聚，指引我们向着答案的方向前行。