作者：李金,宋成斌
出版社：清华大学出版社
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寻找缺失的宇宙——暗物质试读：
前言
人类借助于各种波段的电磁波，从极其短波长X射线、紫外线，到可见光，再到无线电波来观察和认识宇宙。然而，有一些物质既不发射任何波段的电磁波，也不与这些电磁波发生作用。这些用任何波段电磁波都“看”不见而又暗藏在宇宙中的物质，称为暗物质。
大约在80年前，费里茨·兹威基惊奇地发现，大型星系团内的星系具有极高而又难以理解的运动速度，单靠我们观测到的星系团的引力作用根本不可能束缚住这些星系在星系团内的高速运动，除非在星系团中还有“看不见”的物质产生强大引力。此后，天文学家依据螺旋星系旋转速度的测量、引力透镜的观测、大尺度宇宙结构形状以及微波背景辐射等研究中的“奇特”现象，大胆地猜想，宇宙中可能暗藏有大量“看不见”却又能通过引力作用而被感知的暗物质，而且占的比例很大（据计算约占整个宇宙物质总量的85%）。
暗物质到底是什么？它为什么那么诡异？它暗藏在宇宙中什么地方？它在宇宙的形成和演化中扮演什么角色？是暗物质天体还是暗物质粒子？它们是否是我们已经知道的基本粒子，还是未曾发现的粒子？这些问题都对目前人们已经构造的天体理论和基本粒子模型理论提出严重挑战。
暗物质的侦测与研究具有跨学科的重大科学意义，它关系到我们对微观基本粒子和宏观宇宙的构成、宇宙的演化以及基本相互作用的认知，是从微观到宏观直至宇观的重大前沿课题。
然而，到目前为止，暗物质还只是基于天文宇宙观察到的引力效应推测出来的大胆猜想，并没有真正直接实验侦测到它的存在。要想真正侦测到“看不见”的暗物质，即找到暗物质与普通物质之间所有的相互作用关系，就必须发展新的探测原理和新的探测技术，就必须在物理概念和理论上有所突破。
本书在介绍暗物质的来由、宇宙中隐藏有暗物质的依据、侦测和研究暗物质的科学意义的基础上，着重描述侦测诡异暗物质粒子的实验方略，探测暗物质的基本原理和技术，前赴后继的侦测活动和所采用的庞大而又复杂的探测装置或设备，实验探测研究的进展、最新研究状况以及未来的前景，并特别介绍了在我国锦屏大山中建设的世界上最深的地下实验室——中国锦屏地下实验室和我国正在进行的暗物质探测研究。
这是一本通俗科普读物，没有过多的理论或定量的说明，也没有数学推导或分析表达式，采用了尽量多的图表或照片，以便于一般读者的阅读。希望这本读物有助于读者对暗物质的基本概念略有理解，增加对侦测暗物质的真正含义、实验方法和重大意义的认识，并能概括了解国内外侦测暗物质的实验研究现状和未来发展前景。2016年5月
李金，河北张家口人，1964年毕业于中国科学技术大学原子核物理系。中国科学院高能物理所研究员，博导。1964—1974年在中国科学院原子能所从事低能核物理研究，1974—2004年在高能物理所从事粒子物理实验研究。曾任中国科学院高能物理所北京谱仪（BES）升级工程总师，粒子物理实验研究室主任，BES国际合作中方发言人。曾以访问学者或客座教授身份在美国、日本、英国、法国等国从事高能物理研究工作多年；从1997年开始，先后在国内外多地如台湾、韩国等开展中微子和暗物质的实验研究；2001年至今受聘于清华大学。50多年来从事核反应研究、核辐射测量、粒子与核探测技术研究、高能粒子对撞机谱仪的研制、正负电子对撞物理实验研究、中微子和暗物质实验等前沿课题研究；曾获得国家自然科学二等奖、国家科学技术进步二等奖、中国科学院自然科学一等奖、吴有训物理奖和“中青年有突出贡献专家”称号。第1章 诡秘暗物质的由来
出于求知欲和好奇心，千百年来人类从未间断对天文和宇宙的观察与探求，从地面到高山，从高空到太空，从地下到海底。特别是近几十年来，近百个不同类型的观测设备被发射升空，实现了人类对宇宙的全方位和全波段的观察。图1.0.1列出了在地面、空中和太空观察宇宙的各类望远镜及其相应的探测波段。特别是1990年由太空航天飞机发射升空的高分辨率哈勃望远镜（见图1.0.2），它拍摄的照片和提供的信息为我们释疑了很多宇宙疑团，让我们进入到宇宙观测的新高峰，宇宙观测的新时期。我们不仅认识了距我们最近的地球、月球、太阳和银河系，我们还知道了类星体、超新星和脉冲星……也看到了非常遥远的星系、星云、星系团……观测范围几乎要到达约150(1)亿光年甚至更远的宇宙边缘。利用不同波段光的观察可以绘制出不同类型的宇宙（即不同波段的宇宙）：可见光宇宙、红外宇宙、紫外宇宙、射电及微波宇宙、X射线及高能宇宙。放眼多波段宇宙，可以将丰富多彩的宇宙层层剥开，探索到包括恒星、星云和星系的宇宙的每个层次。
今天，我们已经信心满满地观察到几乎所有不同波段的宇宙，可以说是一览无遗地“看”到了整个宇宙。但万万没想到，随着宇宙观测和天文学的发展，我们意识到我们所看到的浩瀚宇宙竟然只是宇宙很小的一部分，大部分是没有观察到的暗物质和暗能量。图1.0.1 观察宇宙的望远镜及相应的波段
图中的望远镜依次为：
微波各向异性探测器（The Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, WMAP）；
斯必泽红外天文空间望远镜（Spitzer Space Telescope）；
哈勃太空望远镜（Hubble Space Telescope）；
伊巴谷（Hipparcos）高精度视差采集卫星；
太阳和太阳风层探测器（The Solar and Heliospheric Observatory, SOHO)；
国际紫外探测器（The International Ultraviolet Explorer, IUE)；
轨道运行的紫外望远镜（The Galaxy Evolution Explorer, GALEX）；
钱德拉X射线观察站（Chandra X-ray Observator）；
X射线空间观察站（High Throughput X-ray Spectroscopy Mission and the X-ray Multi-Mirror Mission）；
伽马射线空间望远镜（International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory, INTEGRAL）。图1.0.2 太空中的哈勃望远镜1.1 什么是暗物质？
我们知道宇宙中有两类天体：一类是像太阳那样的发光的天体，在没有光的环境中能被我们看到；另一类像月亮那样，虽然不发光却可以反射或吸收光，在有光照的环境中也能被我们看到。但是人们发现，还有一类很诡异的物质暗藏在宇宙中。它既不发光，也不和光发生吸收、反射或折射等作用，不仅在没有光的黑暗中看不到它，在有光线的环境中也完全透明，同样看不到它。这种不发光又绝对透明，在任何环境下都无法看到却又有质量的物质，被称为暗物质，即暗藏在宇宙中的物质。
当然，这里说的“光”不仅仅是指可见光，而是包括几乎所有波段的“光”；这里说的“看”也不仅仅是用人的眼睛看，它包括了所有形式的现代望远镜或探测器的观察。因此，在暗物质的研究中，“暗”具有更为广泛的含义。“暗”的广泛含义“暗”的广泛含义是什么？更广泛意义的“暗”是基于更广泛意义的“光”。光是什么？光实质上是电磁波。科学家通常依据波长把光（或称电磁波）划分为7个区段：无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线。图1.1.1给出各种电磁波的波段及其相应波长。天文和宇宙科学借助于各种电磁波天文望远镜实现了对宇宙中天体的观测。今天的天文观测几乎涵盖了所有波段的电磁波。但是，不同探测设备对各波段“光”的响应不同，看到的图像也不同。图1.1.2所示为借助可见光与X光看到的世界和人，可见光只能看到表面，而X射线可以看到内部。同样，我们借助红外光、紫外光和X射线分别看到了不同的宇宙。图1.1.3所示为同一星系在不同波段（射电、红外、可见光、紫外及X射线）下的图像。图1.1.1 电磁波各波段的波长图1.1.2 用可见光与X光观测到的世界和人（a）可见光；（b）X光图1.1.3 同一星系在不同波段（射电、红外、可见光、紫外及X射线）下的图像
由物理规律可知：①任何物体的温度都不可能低于热力学温标的零度（相当于摄氏-273℃，用K表示）；②任何高于热力学温标零度的物体都一定会有电磁波（或称光波）辐射发出，只是辐射波长有所不同而已。这两点告诉我们，宇宙中的任何物质都会有电磁波辐射。此外，物体还会与电磁波发生吸收、反射或折射等作用。因此，只要我们能灵敏地测量到所有波段的辐射光，宇宙中的任何物质都逃不出我们的观察。图1.1.4（a）给出不同温度的天体所发出的光波波长及其对应的亮度。图1.1.4（b）给出不同天体所辐射电磁波的波长与其相应亮度。不难看出，尘埃、恒星及黑洞，无一不在我们所能观察到的波长范围内。可以说，不论是从表面发出的还是从星球内部发出的任何波段的“光”均逃不过人类的“火眼金睛”，人类已经可以全波段全方位地观察整个宇宙。
然而不幸的是，诡异的暗物质既不发出任何波段的电磁波，也不和任何波段的光发生作用，它深深地隐藏在宇宙之中。暗物质是用任何波段的探测器或望远镜都无法观察到的物质。构成暗物质的基础粒子应该是暗物质粒子，大量暗物质聚集也可能形成暗物质天体。图1.1.4 天体的辐射波长和亮度（a）不同温度的天体辐射电磁波的波长及其亮度；（b）不同天体辐射的电磁波波长及其相应的亮度
这里要注意，首先，暗物质不是我们通常讲的黑物质，普通黑物质因为能够吸收可见光而呈黑色，并非与可见光不发生作用。有人将寻找暗物质比喻成“在各种彩色豆中寻找黑豆”是不够恰当的。其次，暗物质也不是黑暗中的物质。我们看不到黑暗中的物质是因为没有光线，只能说明暗物质是不发光的物质，而不证明是否与光发生作用。因此，把寻找暗物质比喻为“在暗室中寻找黑猫”也欠妥。应当说，暗物质是既不发射任何波段的光又对任何波段的光都是绝对透明的物质。某种意义上，暗物质类似于干净无瑕的普通玻璃，就像有时我们误认为玻璃门还没有安装玻璃而碰了头。（当然这仅仅是对可见光而言，普通玻璃强烈吸收紫外光，对紫外线就不透明了），我们寻找暗物质可以想象成在光线充足的明亮屋里寻找不发光的绝对透明物体。历史上的“暗”物质事件
看不见的“暗”物质事件在20世纪就曾经发生过。19世纪末20世纪初，科学家在放射线的研究中发现微观世界中能量的吸收和发射是不连续的。不仅原子的光谱是不连续的，从原子核中放出的射线也198是不连续的。图1.1.5（a）所示为金Au原子核不连续的能级及其能级间的衰变。其放射出的射线的能量正好等于原子核不同能及间的能量差，即射线的能量是单一的，符合量子世界中能量守恒规律的。奇怪的是，在释放出电子的β衰变过程中发现电子的能量并不单一，其能谱是连续的。电子所带的能量只是能级差的一部分，还有一部分能量失踪了（见图1.1.5（b））。1930年，奥地利物理学家泡利依据能量守恒定律提出了一个假设，认为在β衰变过程中，除了电子之外，同时还有一种质量为零、不带电、与光子不同的未知粒子发射出来，带走了一部分能量，因此出现了能量“丢失”，即能量守恒定律依然是成立的。通过能量守恒我们感受到一种未知粒子的存在，但当时还没有能力探测到它，便将它称为看不到的“暗物质粒子”。后来通过实验证实的确有这种粒子，并称之为中微子。中微子与其他粒子不是不发生作用，只是相互作用极其微弱，一时难以探测到。中微子的实验不仅看到了“未知的暗物质粒子”，同时还发现了当时还不了解的另一种相互作用，并称之为“弱相互作用”。图1.1.5 金原子核放出的射线198198（a）Au原子核的不连续能级及其衰变；（b） Auβ衰变过程中电子的连续能谱
另一个有趣的事件发生在从天王星之谜到海王星发现的整个过程中。图1.1.6所示为围绕太阳各行星的轨道示意。1820年，法国天文学家布瓦德依据当时的观测资料和天体运动学原理在计算天王星的运动轨道时，出现了不可理解的问题，他算出的轨道与观测值很不相符。后来的很多年里，人们积累了更多的观察数据，计算时又考虑了离天王星最近的土星和木星的影响，但理论值和观测值仍然相差很远。天王星的观测位置与计算位置相差之大，已远远超出了观测的误差范围。面对天王星运动之谜，人们一方面对依据牛顿力学的天体力学原理提出质疑，另一方面提出存在有看不到的“暗卫星”或“暗行星”的假设，并开始对各种假设和质疑进行求证。直到1845年前后，两位年轻的天文学家——英国的亚当斯和法国的勒威耶基于逐渐逼近的方法，提出有可能在比天王星更远的天区有我们还没有看到的行星，并建议柏林天文台的加勒立即在该天区进行搜索。不几天加勒就观察到这颗发光很弱的行星，并将其命名为海王星。图1.1.6 围绕太阳各行星及冥王星的轨道
今天，如果我们相信主宰天体运动的引力理论是正确的话，那假设存在有看不见的暗物质，就和当年没有发现海王星的情景一样了。1.2 诡异的暗物质真的存在吗？
既然暗物质既不发出任何波段的光，也不和任何波段的光发生作用，用任何波段的探测器或望远镜都无法观察到，那人们怎么知道它的存在呢？
我们知道，地球围绕太阳旋转，为什么地球既不被太阳吸引过去也不会远离太阳飞走呢？太阳对地球有引力，而地球围绕太阳旋转有一定的速度而有离心力，当太阳的引力正好等于地球的离心力时，地球就被束缚在一定的轨道上。按照牛顿定律，引力的大小与太阳和地球的质量有关，质量越大，引力就越大。如果地球的速度太大，或者太阳的质量太小，离心力大于太阳的引力时，地球就远离太阳而去。可见，宇宙中星球、星系的稳定运动状态都是它们的运动速度和一定质量之间平衡的结果。太大的质量太低的速度，或者太小的质量太高的速度，都不会稳定，也不可行。
八十多年前（1933年），费里茨·兹威基惊奇地发现了一个奇特的现象：大尺度的星系团中众多星系的相对运动速度非常高，可它们又被约束（或被限制）在星系团中不能远离。但根据我们所观测到的星系团质量估算出的引力却远小于由星系速度估算出的离心力，即质量产生的引力无法将这些星系束缚在星系团中。如果假设星系团中还有我们“看不见”但具有引力的物质，且质量足够大时，就有可能确保星系团中众多星系虽然速度很高也不会散开。人们把这种“看不见”但具有引力作用的物质称为“暗物质”。可以说这是第一个暗物质存在的证据。暗物质有引力，有质量，但不发光也看不见。
应该说，费里茨·兹威基（图1.2.1（a））是提出“暗物质”概念的第一人。兹威基对事物观察十分敏锐，是闻名遐迩的才子。可惜的是，他被当时的同行认为是一个怪人，人际关系也比较差，没人认真考虑他的观点。他的观察和他对“暗物质”的设想在很长的一段时间内无人问津。1970年，美国女天文学家维拉·鲁宾（Vera Rubin）（图1.2.1（b））发现了“暗物质”存在的又一个证据——不管恒星距离星系中心有多远，它们围绕星系中心公转的速度都是一样的！至此，“暗物质”的概念才逐渐进入人们的眼帘。此后，天文学家们依据球状星系旋转速度的测量、引力透镜的观测、大尺度宇宙结构形状，以及微波背景辐射等研究中的“异常”等现象，大胆地推测或猜想宇宙中很可能存在大量“看不见”却又能通过引力作用而被感知的暗物质。尽管我们对暗物质的性质仍然了解甚微，但到了今天，占宇宙能量密度很大部分的暗物质的概念已被广为接受了。图1.2.1 暗物质领域的两位先驱者（a）费里茨·兹威基，最早注意并提出暗物质存在想法的物理学家照片；（b）发现“暗物质”存在的证据的美国女天文学家维拉·鲁宾
现在人们已经发现了很多暗物质存在的证据，不可能在书中一一讨论。下面仅就几个暗物质存在的典型证据——“星系的旋转曲线”“引力透镜效应”“星系团的碰撞”“宇宙大尺度结构”做简单介绍。不好理解的旋转曲线
万有引力定律告诉我们，围绕地球转动的人造卫星的运行速度和距离和地球的总质量有关。地球绕太阳运行的速度和地球与太阳的距离及太阳的总质量有关。地球是按照引力的平方成反比定律才会在一定的轨道上不停地转动。图1.2.2所示为美国发表的最新银河系全景图。银河系是一个典型的螺旋星系，星系中的各个星体围绕中心旋转，中心亮度很大表明质量集中于中心，其直径约10万光年。有4条螺旋状的旋臂从银河系中心均匀对称地延伸出来。银河系中心和4条旋臂都是恒星密集的地方，太阳系位于银河系边缘，银河系第三旋臂——猎户旋臂上。图1.2.2 美国发表的最新银河系全景图
同理，每个星体或气团围绕星系运行的速度和该物体与星系中心之间的距离以及星系范围内的总质量有关。通常我们用旋转速度与距离的关系曲线来描述它们的运功，称之为旋转曲线。如果按照观察到的星系范围内的质量分布和牛顿定律来计算，因为观察到的可见质量大都集中在中心，随着距离的增加其速度应该减少，即旋转曲线是随距离下降的。而实际测量的结果发现旋转曲线是平的，即旋转速度不随距离减少，速度基本不变。图1.2.3是螺旋星系NGC6503和测量得到的球状星系旋转速度与距离的关系曲线。图（a）是螺旋座星系NGC6503的亮度图，图（b）中的实验点是不同距离观测到的速度，(2)其速度在距离大于2kpc就基本不变。图（b）中标有“星盘”的虚线是依据星体质量分布计算出的旋转曲线，其速度随距离迅速下降。很明显，两者相差甚远。如何来解释这一差别呢？除非认为我们依据亮度看到的星系的质量分布有误，导致旋转曲线是随距离迅速下降。只有星系中有大量看不见的物质，且分布并不都集中在星系中心时，距离星系中心远的恒星的运动速度才不会比近处的恒星运动速度慢。如果将观察到的气体和尘埃分布以及假设的暗物质分布这三种物质都考虑进去，也就是将图（b）中的标有“气体”“星盘”“暗物质”的曲线相加得到的旋转曲线才能和测量到分布（图中的实验点）相符合。这说明星系中必然存在“看不到”的物质，但提供了束缚星系运动的引力。这一天文观测结果为暗物质的存在提供了最直接的证据。这是1978年才发现的令人信服的证据。图1.2.3 球状星系旋转速度v与距离R的关系曲线
后来人们观测了几乎所有的螺旋星系，测量了它们的旋转曲线，都有同样的现象。图1.2.4所示为部分螺旋星系的旋转曲线。这表明所有螺旋星系中都存在有暗物质。图1.2.4 Sa NGC 4594等螺旋星系的旋转曲线
人们自然会问，是否存在另一种可能，即描述引力的牛顿定律有问题？遗憾的是，过去对地球、对太阳等星球的观测积累了大量的观察数据，根据牛顿引力定律计算得到的围绕太阳运行的行星轨道与实际观察数据相一致。太阳系原来的九大行星，即水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星的轨道计算均符合引力定律。应该说，前面讲的海王星的发现也完全是牛顿引力定律的功劳。同样，对银河系的观测也同样证明了引力定律是正确的。银河系看起来像一个有两条旋臂的巨大圆盘形旋涡，围绕其中心不停地旋转如图1.2.2所示。太阳在稍稍偏离这个旋转中心的位置上，和其他恒星一样不停地转动，其速度大约为每小时220km。依据太阳转动的轨道和速度，可以计算出银河系旋转轨道内所有星球的质量总和约为太阳质量的1千万倍。这个值和我们在银河里实际观察到的恒星基本吻合。即使是上述的球状星系旋转曲线，靠近螺旋星系中心的恒星速度也符合牛顿引力定律的理论计算，由此推测螺旋星系中心的可见物质密度非常大，相对暗物质质量很小，近星系中心区域几乎不受暗物质的影响。
结论似乎只能是：星系里必定有看不见的暗物质，它不发光，也不反射其他发光星体的光，但具有引力，也有质量。那么，暗物质有多少呢？天体的亮度反映天体的质量，天文学家通常用星系的亮度来估算星系的质量（也就是可观察到的质量）。当然也可通过引力来计算星系的质量（既包括观察到的质量也包括看不到的质量）。这两者之差就可认为是暗物质的质量。通过旋转曲线测量及引力计算出的银河系的质量是由亮度推算出的银河系质量的十倍以上，在外围区域甚至达五千倍。可见，在银河系整个范围里都存在有大量暗物质，有时称之为暗物质晕，是不言而喻的。
虽然我们假设在银河系整个范围里都存在有大量暗物质，并称之为暗物质晕，但是，要想证明银河系最深处区域有无暗物质是极端困难的，因为银河系深处的核心区域直径约10万光年。2015年初，西班牙、德国及瑞典等国科学家Fabio Iocco，Miguel Pato和Gianfranco Bertone，在英国《自然·物理学》杂志发表了他们的研究成果。他们特别关注银河系内部最深处以及太阳周围的区域，在全面汇总大量实验测量的旋转曲线和分析观察数据的基础上，再与最新的银河系质量分布理论作详细的对比分析与研究。研究表明，银河系内部也存在着暗物质，否则观测到的数据将无法得到合理解释。这是第一次得到银河系内部甚至太阳系内部存在暗物质的直接证据，并认为，依据目前的数据，银河系内部以及在太阳系内部的暗物质的主要成分不大可能是像质子或中子一样的重子。星体光被严重弯曲
我们知道，依据爱因斯坦广义相对论理论，大质量物体周围的时空是弯曲的，时空曲率将产生引力。当直线行进的光线通过大质量的物体时也是弯曲的，它的路线将沿着大质量物体所形成的时空曲率，也就是说，光线因为引力作用被弯曲。这类似于光线通过凸透镜被弯曲聚焦，且弯曲的程度与光线所通过的质量多少有关。这在物理学中称为引力透镜原理。图1.2.5所示为引力透镜的原理示意图，图中左侧为天体发出的光波经过中间的星体到达地球上探测器的示意图，右侧为探测器获得的图像。光波受到所经过星体庞大质量的引力作用而被弯曲，到达地球上的光实际上是被星体引力作用发生了弯曲的光线，其弯曲程度不仅与星体的质量有关，弯曲后的图像还与星体的形状有关。当星体是圆球体时，图像呈环状（爱因斯坦环）；若星体是长条状，图像呈十字叉状（爱因斯坦十字架）；如果星体是宇宙中形状复杂的星系团，其图像则是不很规则的各种弧形。我们可以通过图像知道星系团的大致分布，再由光线弯曲的程度计算出光线所通过的物体的质量。这一原理被广泛地应用到宇宙中星系团质量的测量上，不管该星系团是否发光。
实际测量中我们惊奇地发现，所探测到的星体光线被严重地弯曲，以此弯曲估算出的星系总质量要比与用光学方法测量得到的质量大得多，即比能观察到的星体质量大得多，多出来的部分就应该是星系中看不到的暗物质。可见，研究引力透镜现象同样可以揭示出星系团中有大量暗物质。
图1.2.6所示为哈勃太空望远镜在1999年完成维修后立即拍摄到的一张照片，来自星系团背后天体的光线因为星系团的巨大质量而形成扭曲的图像，出现许多细弧。一颗遥远的类星体被引力透镜分成了五星样的虚像，这是典型的“引力透镜”现象。这张照片还展示了由引力透镜放大的珍贵星系，甚至还包含了一颗超新星。当然，我们也可以从中获得星系团中暗物质的质量。科学家们依据这一原理，对几乎每个星系团进行“引力透镜”的测量，都能获得这些星系团中的暗物质质量。图1.2.5 引力透镜的原理图1.2.6 哈勃太空望远镜拍到的一张照片奇特的大尺度星系团图1.2.7 大尺度星系团结构的照片
图1.2.7所示为奇特的大尺度星系团结构的照片。在遥远的银河外星系，天文学家通过大型望远镜已经发现了上千亿个星系。这些星系在宇宙中聚集起来形成一个个集团，被称为星系团。可以说，星系团是成百或成千上万个星系由于自身引力而约束在一起的束缚体系。这样的集团大小不一，小的由十几个到几十个星系组成，而大的集团由成千上万个星系组成。星系团质量相当于星系集团中所有星系质量以及星系际介质的高温气体质量的总和。就像我们通过观察炼铁炉辐射出的光来测量炉中铁水温度一样，通过测量星系集团发出的X射线就可以估计出它们的温度，再由测量到的温度就能计算出这些星体的运动速度。实际观察发现温度异常的高，这意味着它们之间的相对运动速度极大。如果这些运动速度极高的星体还能够聚集在一起并形成星系团，就像上面讲的，它们之间必须有足够大的吸引力。这个吸引力远大于我们所观察到的星系团可见物质质量的引力，除非存在有我们没有看到的物质——暗物质才有可能。通过相对运动速度和引力获得这些星系集团的质量远远大于观察到的星系和气体质量的总和，这些“多出来的质量”可能就是暗物质。子弹星系团的碰撞
2006年，美国天文学家利用钱德拉X射线望远镜对星系团1E 0657-56进行观测，并观测到星系之间碰撞的过程。星系团的碰撞迅猛异常，竟然将暗物质与正常物质分离开来，成为暗物质存在的更直接证据。图1.2.8所示为2006年8月美国NASA/钱德拉发布的一张子弹星系团的照片，它实际上是由三张照片合成的。一张是可见光波段的星系照片（图中的白点），另一张是X光波段的星系团内气体分布（红色部分），这两部分相当于同一子弹星系团两个不同波段（可见光和X光）的照片。图中蓝色的部分不是直接拍摄下来的，是利用引力透镜原理间接计算得出的质量分布。从合成图中不难看出，这很像两个星系团相撞，蓝色部分（暗物质团）的作用较小，速度快，加速远离；红色部分是可发光的物质团，由于较强的相互作用，彼此离开得较慢，尾随其后，形成几个空间分离的团块。空间分离的团块可以看成存在有两种类型的物质，且可见物质与暗物质的性质有很大差异。这一现象被看成“暗物质”存在的直接证据。图1.2.8 子弹星系团的照片
暗物质从根本上讲不是我们通常说的物质。利用现代各种望远镜、各种波段的探测器都无法观察到它的真面目，这是因为它似乎不和其他我们能看到的物质发生任何作用。但是暗物质与普通物质间有引力作用，正是这引力作用和由此产生的各种现象最终让我们证实了它的存在。
总之，不论小尺度的星系、大尺度的星系团或整个宇宙都发现有暗物质存在的迹象。万有引力让我们知道了宇宙中还暗藏有大量看不见的暗物质，感谢引力作用，让我们知道了被“暗藏”的宇宙。宇宙中有多少暗物质？
暗物质是一种诡异的不可见物质。目前看来，除了引力作用之外，它们和“常规”物质几乎不发生任何相互作用。科学家们之所以知道宇宙中存在暗物质，并不是因为真的“看见”了暗物质，完全是通过看不见的暗物质对可见物质的引力效应间接地获得了它们存在的信息。几十年前暗物质首次被科学家提出时，还只是一个理论性的假设，当时的暗物质猜想在科学界也是个很有争议性的命题。随着时间的推移和科学的发展，特别是前面讲的不少观察证据，暗物质存在的证据逐渐被接受，而且计算出暗物质的质量远大于可见物质质量。
暗物质之间、暗物质和常规普通物质之间都存在引力作用。引力使数百上千的星系聚集起来，形成星系团。另一方面，大量物质的聚集又形成了巨大的引力作用，背后遥远星系发出的光线经过其附近时会发生弯曲，从而形成类似透镜的效应。我们可以利用这种物理上的引力透镜效应作为测量手段来很好地观察寻找暗物质，依照背景星系光线被弯曲的程度来计算光线经过的星系的质量，从而估算出暗物质的质量。科学家们不辞劳苦地对千万个星系逐一测量，得到宇宙中的暗物质分布。总而言之，不管物质“暗”与“不暗”，只要有质量，光线就会被弯曲，并可通过弯曲的程度获得质量的分布。科学家们以此发明了一种“引力透镜质量分布成像”（gravitational lens mass tomography）法，绘制出宇宙中暗物质的分布。
另外，通过宇宙背景辐射测量也可以得到暗物质和暗能量的比例。2009年，普朗克科学探测卫星发射升空。普朗克空间探测器主要对宇宙背景辐射进行观测。通过宇宙背景辐射测量得到的暗物质的比例与之前有所不同。图1.2.9给出了普朗克空间探测前后宇宙中暗物质所占的比例。依据普朗克空间探测器的测量，目前普遍认为整个宇宙中，暗能量占68.3%，暗物质占26.8%，其他可见物质仅为4.9%，即在所有物质中，诡异的暗物质竟然占了85% 。图1.2.9 宇宙中暗物质所占比例（a）普朗克测量前的比例；（b）普朗克测量后给出的最新比例
暗物质在宇宙中的分布是人们十分关心的问题，也是科学界的重要课题。螺旋曲线测量结果显示，星系中暗物质的分布似乎像比较均匀的“晕”。当代的大型望远镜采用了电荷耦合器件charge coupled device，（CCD）技术，可以探测到更加微弱的光线，观察到“弱引力透镜效应”，这使得遥远星系的图像看起来呈现椭圆形。利用这些星系扭曲的图像，再和哈勃太空望远镜（HST）拍摄的遥远星系团的可见光图片作对比，就能得到暗物质的具体位置，从而构造出分辨率更高的暗物质分布，并可绘制出长达十亿光年的庞大暗物质分布图。
研究人员发现：第一，宇宙中暗物质无处不在。星系内部充满着暗物质，即便是宇宙中最明亮的星系内部也存在着暗物质。第二，从大尺度看，宇宙就像由众多星系构成的庞大的、呈现为丝状或卷须状的“宇宙网”，暗物质分布在“宇宙网”状结构中空旷的“网眼”内，将网上的千万个星系相互“黏结”在一起。“宇宙网”由暗物质维系在一起，没有它的存在，宇宙或将不会以现在的状态存在。类似于暗物质和可见物质在万有引力的作用下汇聚到一起，在暗物质比较集中的地方更容易吸引可见物质，从而协助星系和星系团的形成。当然，暗物质和可见物质一样也可以密集在一起组成星系，不过与普通的正常星系不同，暗物质星系中没有任何恒星发光，只能通过“引力透镜”来发现它。
图1.2.10所示为哈勃望远镜获取的暗物质分布图，图中的蓝色区域是在哈勃望远镜的图像上叠加上的暗物质分布。图1.2.11为数字模拟获得的大尺度宇宙内的暗物质分布图，图中明亮的区域是高密度星系集中的地方，那些邻近的暗区域充满了暗物质。
总之，暗物质存在于宇宙的每一个角落。暗物质从每个星系一直延伸到宇宙空间，与邻近星系的暗物质重叠后形成一个巨大的“宇宙网”。暗物质在宇宙网状结构的网格中的空旷区域，其他星系密布在狭窄的网络上。
不过，暗物质在宇宙中的分布到底是什么样的，目前仍然是科学界讨论的课题。图1.2.10 哈勃望远镜获取的暗物质分布图（图中的蓝色区域就是在哈勃望远镜的图像上叠加上的暗物质分布）图1.2.11 数字模拟得到的大尺度宇宙内的暗物质分布图1.3 可能的暗物质
在没有真正了解和认识暗物质的时候，只好先假设一些可能的暗物质候选者，同时分别对其进行科学的确认。暗物质天体
人们首先想到的是宇宙中的中子星[见图1.3.1（a））、白矮星（见图1.3.1（b））、褐矮星（见图1.3.1（c）和黑洞（见图1.3.1（d））]等暗物质星体，它们都是质量大而致密晕的天体，其组成类似质子、中子，属重子类的暗物质。恒星演化到末期，经由重力崩溃发生超新星爆发后，根据质量的不同，整个恒星被压缩为白矮星、中子星以至黑洞。它们的体积不大但物质密度很大，引力极强，以致光线都逃离不了其星体表面。由于光线无法逃离，我们用望远镜等也无法看到它们，所以这类天体是暗的。可惜，目前观察到的这些星体的数目不多，它们的质量总和也太小，即使它们是暗物质，也远不能解释宇宙中如此大的暗物质份额，也不能解释在星系的整个空间中所弥漫的暗物质。图1.3.1 可能是暗物质的天体（a）中子星；（b）白矮星；（c）褐矮星照片；（d）黑洞暗物质粒子
我们对暗物质的另一个猜想是暗物质粒子，并假设这些粒子既可以存在于广袤的太空中，也有结合成暗物质天体的可能。所谓广泛分布在宇宙中的暗物质粒子，可能是宇宙形成初期产生的寿命极长的粒子。这些粒子与重子类暗物质天体不同，属非重子类的暗物质粒子。一类暗物质粒子是宇宙形成初期、温度还很高的时候形成的粒子，其速度接近光速，属相对论型的暗物质粒子，有时也称之为“热”暗物质粒子，如质量很小的中微子等。另一类是宇宙形成较晚时候的暗物质粒子，是速度较慢的粒子，称为“冷”暗物质粒子，如轴子，WIMP粒子等。当然，也可猜想有中等速度的、不冷不热的“温”暗物质粒子。图1.3.2中列出了暗物质的可能候选者，如中微子、轴子、WIMP粒子。图1.3.2 暗物质可能的候选者
第4节会讲到，三种中微子都是已经被发现的常规粒子，是目前基本粒子物理标准理论中的基本粒子。它们不带电，和其他粒子既无强作用也没有电磁作用，但有弱作用。这种与其他粒子作用很弱、作用概率很小的粒子具备了暗物质粒子的特征。可惜其质量太小，每个粒子的质量甚至小于eV的量级。与普通质子或中子（质量约为910eV）相比，相差9个量级。这难以解释宇宙中如此大比例的质量。另外，如此轻的中微子，即使能量不高的中微子也在接近光速运动，这个运动速度实在是太快了，以致根本无法聚集在一起形成任何类型的星系或星系团。所以中微子不大可能是主要的暗物质成分。
轴子（Xion粒子）是20世纪70年代为解决强相互作用理论的时间不对称问题所提出的物理模型中一个假想的粒子，但直至目前还没有−6−2被实验证实。理论预言的轴子质量在10 ~10eV范围内，质量比中微子还要小得多。轴子之间的作用很弱，诞生于宇宙温度较低的状态，速度也不高，有可能彼此吸引而聚集在一起。如此低质量的粒子，也很难是暗物质粒子主要的成分。
那么，哪些粒子才是构成宇宙暗物质的主要成分呢？人们将注意力转向弱作用大质量粒子（week interaction massive particle, WIMP）。特别关注的WIMP粒子
WIMP是假设和普通粒子具有弱作用并且质量较大的粒子。这显然是一种很宽泛的说法，没有严格定义WIMP到底是什么粒子。但是我们可以认为：第一，WIMP的质量可能比普通粒子（如质子、中子等）的质量大很多，第二，WIMP不带电，没有电磁作用，也没有像普通核子之间的强作用，它们几乎与普通物质粒子不发生相互作用；第三，即使WIMP与普通物质粒子发生相互作用，也是很弱的作用——可能是基本粒子标准理论中的弱作用，也可能是我们还不了解的另类弱作用。另外，理论认为WIMP产生于宇宙初始阶段。它们有较大的质量，在宇宙中运动的速度缓慢，有可能聚集成团。随着宇宙膨胀并逐渐变冷，WIMP相互远离，最后它们无法再相遇并发生湮灭反应从而存活下来。WIMP被认为是最有可能的“冷暗物质”候选者。当然，也有可能有质量较小、速度较快的粒子，那将是“热暗物质”或“温暗物质”的候选者。
基于WIMP性质所构造的宇宙学模型与天文实验观测有较好的符合，由WIMP弱作用的相互作用概率和统计物理的退耦理论推算出的数值与实际观察值差不多，尤其是WIMP和粒子物理中某些理论模型预言的粒子特性相似，这些都成为把WIMP作为暗物质粒子主要候选者的重要原因。另外，从实验探测技术的角度出发，WIMP粒子似乎也是比较容易观察到的粒子。
虽然目前还没有完全通过实验证实WIMP的存在，人们还是希望WIMP是一种大质量的特殊“中微子”，它与普通粒子之间可能有我们已经了解的弱相互作用，我们更加希望WIMP是粒子物理“超对称理论”中所梦寐以求的超对称（supersymmetry, SUSY）粒子等。1.4 为什么要探寻和研究暗物质
历经几个世纪的探索，人类对世界的认识范围包含了一百多亿光25−35年（10m）尺度的浩瀚宇宙至10m（普朗克长度）的微小基本粒子。随着探索的深入，我们意识到所知道的竟然是宇宙很少的一部分。这难道还不让人惊奇、费解并值得深究和探讨吗？探寻大量暗藏在宇宙中的物质，找回“缺失”的宇宙，或者说寻找“隐藏”的宇宙，必然是一个“天大”的课题。
波兰天文学家哥白尼（Nicholas Copernicus，1473—1543年）在1543年出版的《天体运行论》一书中指出，“地球并不是宇宙的中心，地球只是围绕太阳运行的一颗普通行星，而且自身又有转动”。哥白尼的“日心说”推翻了统治天文学千年的“地球是宇宙中心”的“地心说”，是人类对宇宙认识的第一次飞跃。此后，天文学和宇宙学的实验观察和理论研究不断地突破了人们关于宇宙构成的认知。地球不是中心，太阳也不是中心，甚至银河系还不是。随着爱因斯坦广义相对论的提出，人们才认识到宇宙根本没有中心。同样，暗物质和暗能量的存在是以前人类从未想象、也无法想象的事情。今天，随着暗物质、暗能量被证实在宇宙中占有很大比例，这难道不是对我们的宇宙观及物质观的极大冲击和巨大突破吗？
也许，正是暗物质促成了宇宙结构的形成和演变，如果没有暗物质就不会形成今天的星系、恒星和行星，也就更谈不上今天的人类了。尽管宇宙在极大的尺度上似乎是均匀和各向同性的，但在一些小尺度上却存在着恒星、星系、星系堆积或星系团。我们知道，大尺度上能够维持物质运动的力就只有引力了。我们也知道，绝对均匀分布的物质之间不会有能使其运动的力。因此，今天所有的宇宙结构应该出自宇宙极早期物质分布的微小涨落，而这些涨落又会在宇宙微波背景（cosmic microwave background,CMB）中留下一些痕迹。如果我们不了解占宇宙几乎四分之一的暗物质的性质，不了解宇宙极早期暗物质的分布或涨落，就不能说我们已经了解了宇宙和宇宙的演化。只有进一步探索这些“不可见的宇宙”，找到暗藏在宇宙中的物质，才能真正全面地认识宇宙的构成；只有了解“暗物质”和“暗能量”如何影响银河系及整个宇宙的过去、现在和未来，人类才能最终理解宇宙的起源。图1.4.1 “宇宙物理学”报告的封面
所以说，暗物质的探究对宇宙学、天文学的发展具有重大的意义，同时对研究物质基本结构和基本相互作用的粒子物理学也是重大挑战。20世纪末美国国家科学技术委员会（National Science and Technology Council, NSTC）组织了“宇宙物理学”的跨部委的工作小组，研究21世纪的重大科学前沿问题，并在2004年5月初发表了“宇宙物理学”报告（封面照片见图1.4.1）。报告中提出了“建立夸克和宇宙的联系——新世纪的11个科学问题”，其中第一个问题就是“什么是暗物质（What is the dark matter?）”。可见，暗物质的侦测与研究不仅是横跨“宇宙学”“天文学”“粒子物理学”三大学科的重大基础研究课题，而且是对这三大学科的重大挑战。
目前物理学界有两个理论：一个是关于宇宙结构和演化的宇宙学标准模型——大爆炸宇宙论；一个是关于物质基本构成和相互作用的基本粒子物理学标准模型理论。暗物质密切关系到宇宙的生成与演变“大爆炸宇宙论”认为：宇宙是150亿年前由一个极其致密和炽热的奇点在一次大爆炸后膨胀形成的。1929年美国天文学家哈勃依据天文观察提出了星系的红移量与星系间距离成正比的哈勃定律，并推导出星系都在互相远离并不断膨胀。这就是说，不管你在哪里，也不管你向哪个方向看，远处的星系都正在快速远离你而去。换言之，宇宙正在不断地膨胀。这也意味着很久很久以前星体相互之间靠得很近很近。依照星系远离我们而去的速度可以推算出，大约100亿至200亿年之前的某一时间，它们应该聚集在同一地方，显然，此时的密度应该非同寻常的大。哈勃的发现暗示了存在着某个起始时刻，宇宙从此时刻开始互相远离膨胀。1950年前后，俄裔美国科学家伽莫夫第一个建立了热暴胀理论。他提出，在宇宙极早期的时候，宇宙很小，然后有一非常短的暴胀阶段，其后宇宙立即变得很大。以伽莫夫建立的热暴胀理论为基础，经过之后的几十年努力，宇宙学家们为我们勾-43画出一部宇宙演化的历史：首先是宇宙起点的10 s大爆炸，接着-35-33272210~10s暴胀，暴胀期的温度为10~10K，主要成分为夸克、电子等最基本粒子，而后温度下降。大爆炸后数分钟内出现了一些核反应，合成出宇宙中几乎所有的氦。随着膨胀的进行，宇宙逐渐变冷。宇宙中物质冷却的过程中聚结成原初的星系。原初的星系一方面分裂为恒星，另一方面聚在一起成为范围更广的集团。随着恒星的诞生和死亡，逐渐合成出碳、氧、硅、铁这类重元素……图1.4.2形象地描绘出宇宙暴胀过程的几个时期的特点，图中的横轴表示时间。大爆炸理论引导着我们去追溯整个宇宙的演化，从时间的头几毫秒到地球的形成、生命的出现，甚至可能的未来。同样，如果存在暗物质的话，也应该在宇宙早期的38万年以前就形成了；暗物质粒子也应该是那个时候产生的，至少是在质子、中子等被称作重子物质产生之前产生的。随后，宇宙变得很冷了。
暗物质的概念不仅来自人们观察宇宙天体运动中的各种奇特的现象（如1.2节中的天体运动的典型例子），也出自对宇宙产生与演化的理论研究。
按照大爆炸宇宙学，整个宇宙的几何性质是由其质量-能量密度（或称宇宙密度）决定的。基于宇宙在大尺度上是均匀及各向同性的基本认识，宇宙的几何空间结构由所谓的罗伯逊-沃尔克（ Robertson-Walker）度规来描述。根据宇宙物质密度的不同，由罗伯逊-沃尔克度规描述的宇宙有以下三种基本类型。
设宇宙的密度为ρ，存在一个临界密度（罗伯逊-沃尔克临界密度）为ρ其数值为（其中，H为当前的哈勃（Hubble）常c0数，下标0表示一个量的当前数值。G为牛顿的万有引力常数）。（1）当宇宙物质密度高于临界密度ρ ，宇宙的空间曲率为正，c宇宙几何是球形的，是封闭的；（2）当宇宙物质密度等于临界密度，宇宙的空间曲率为零，宇宙是平直的；（3）当宇宙物质密度小于临界密度，宇宙的空间曲率为负，宇宙是开放的，呈马鞍形。
如果用Ω表示宇宙物质密度与临界密度之比（ρ/ρ），则上述三c种情形分别对应于Ω>1，Ω=1和Ω<1。
我们的宇宙适合于这三种情形中的哪一种呢？研究宇宙演化的理论有一条重要定律——Ω应满足下面的关系式：α（Ω-1）/（Ω-1）=（R/R）00图1.4.2 宇宙暴胀过程
式中，R是描述宇宙尺度的物理量；α是正的指数值，其数值取决于宇宙中辐射与物质的主导地位，宇宙早期以辐射为主导，则α=2，当前的宇宙以物质占主导，则α=1。
由关系式不难看出，初始宇宙尺度越小，Ω就越接近1。尽管测量不很准确，当前值Ω值的数量级也在1左右。天文学家以今天宇宙026-35-60的尺度10m推算出在宇宙极早期（10m尺度）的Ω-1约为10或更小，也就是说宇宙极早期的Ω约为
Ω = 1.000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001
这表明极早期宇宙的Ω值非常接近1。很难想象，为什么在宇宙的初始条件中会出现Ω如此接近于1，或者说为什么我们宇宙的初始空间曲率会如此地接近于零？我们需要有一个理论来解释。在大爆炸宇宙模型中引入了宇宙暴胀概念可以给以不错的解释。今天的暴胀宇宙学理论不仅可以解释宇宙早期Ω如此地接近1，还进一步预言今天的Ω也特别接近1（现实的宇宙已经处于接近平直状态达几十亿0年）。或者说，暴胀宇宙学暗示，宇宙的物质密度应该非常接近于临界密度。
为此，我们对宇宙物质密度及临界密度都做了大量观测。尽管存在一些误差，观测显示，可见物质的密度远远小于临界密度。这么大的差距从哪里来？可不可以用暗物质理论来解释？特别是采用WIMP假设理论呢？
当然，WIMP能否真正解释暗物质，还取决于它们的数量大小。与夸克、电子等粒子一样，WIMP也是在宇宙大爆炸初期的高温中产生的。在宇宙的极早期，虽然高能粒子的碰撞既有WIMP的产生，也有WIMP的湮灭，但在任意时刻都有一定数量的WIMP存在。这一数量会随时间的推移而变化，变化程度取决于受宇宙膨胀过程中“产生”“湮灭”两个过程的平衡程度。一方面，宇宙的冷却降低了碰撞的能量，导致产生的WIMP数量逐渐减少；另一方面，宇宙膨胀使粒子密度降低，从而降低了粒子碰撞或湮灭的频率，直到碰撞或湮灭不可能再发生为止。到大爆炸后大约10ns（1ns为十亿分之一s），宇宙不再拥有产生WIMP所需的高能量，同时也不再具备让它们湮灭所需的高密度，WIMP的数量便保存了下来。
在假设WIMP的预期质量以及它们的相互作用强度（这决定了正反WIMP湮灭的发生频率）的基础上，物理学家计算出会保留下来的WIMP数量。让科学家非常兴奋的是，计算出来的WIMP的数量和质量刚好能够解释今天宇宙中的暗物质比例。科学家把如此不同寻常的吻合称为“WIMP巧合”（WIMP coincidence）。这也是把WIMP作为
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