STEAM教育｜尋找「暗物質」真面目｜星島教室

2024-03-07 12:28

「暗物質」（Dark Matter）是一種理論上提出的物質，它是一種由於其弱相互作用和電磁相互作用的觀測效應都不明顯，因此很難探測到的物質。儘管暗物質在宇宙中佔據了很大的比例，但我們對其性質和構成仍知之甚少。

示意圖

中國「悟空」大發現

在20世紀30年代，瑞士天文學家茨威基（Fritz Zwicky）使用當時最先進的望遠鏡研究後發座星系團，發現星系團中的星系在高速運動，但奇怪的是，它們並沒有因為高速運動而飛散開來，這意味着除了看得見的星系外，還有大量看不見的物質在星系團中產生引力，將星系聚集在一起。茨威基將這種看不見的物質稱為「暗物質」。

2017年11月30日，中國科學院發布了暗物質粒子探測衛星「悟空」的首批探測成果。據這些成果顯示，「悟空」衛星在太空中測量到電子宇宙射線的一處異常波動，這一神秘信號首次為人類所觀測，意味着中國科學家可能取得了一項開創性發現。這種異常波動出現在1.4萬億電子伏特的超高能譜段，科研人員推測，它可能來自宇宙中「品質為1.4萬億電子伏特左右的新物理粒子」。如果這一發現最終被證實與暗物質相關，它將是一項具有劃時代意義的科學成果。

暗物質是一種難以探測的物質，因為它不發光、不發熱，也不與電磁波發生相互作用，因此很難被直接觀測到。但是，由於暗物質對宇宙學標準模型具有重要影響，因此科學家們一直尋找它的蹤跡。過去幾十年，科學家們已通過各種手段間接地探測到暗物質的存在，但是直接探測暗物質粒子一直是物理學領域的難題。

「悟空」衛星是中國第一顆用於探測暗物質的天文衛星，它的主要任務是通過高能量分辨和高空間分辨觀測高能電子和伽馬射線，尋找和研究暗物質粒子。這次發現的異常波動，為暗物質粒子的存在提供了新的線索和證據。雖然目前仍無法確定這一發現是否與暗物質直接相關，但它已經引起了國際科學界的廣泛關注和熱議。總之，「悟空」衛星的這一發現，為我們更深入理解宇宙的本質和結構，提供了新的視角和思路。

暗物質性質與組成

弱相互作用：暗物質之間，以及暗物質與普通物質之間的相互作用非常微弱，遠低於電磁相互作用。因此，暗物質無法通過電磁輻射來直接觀測。

引力作用：由於暗物質具有強烈的引力作用，我們可以通過觀測星系旋轉速度、星系團運動等宇宙天體運動的規律，間接探測暗物質的存在。

不發光：暗物質不會發出可見光、紅外線、紫外線等電磁輻射，因此我們無法直接看到它。

暗物質的組成成分目前尚不清楚，但科學家提出了幾種可能的候選者。其中最廣泛被研究的是「弱相互作用大品質粒子」（WIMPs），這是一種假設存在的粒子，它們之間通過弱相互作用力相互碰撞。除此之外，還有「軸子」（Axions）、「惰性中微子」（Sterile Neutrinos）等也被認為是暗物質的可能組成成分。

暗物質在宇宙演化中起着至關重要的作用。由於暗物質具有強烈的引力作用，因此它主導了宇宙中星系的形成和演化。暗物質的分布和運動規律亦影響了宇宙的演化過程，例如星系的形成、星系團的運動等。因此，對暗物質的研究，有助於我們更深入地理解宇宙的起源和演化。

暗物質探測方法

由於暗物質與普通物質的相互作用非常微弱，因此探測暗物質的方法非常有限。目前主要有以下幾種方法：

直接探測：通過在高能物理實驗室內放置專門的探測器，直接觀測「弱相互作用大品質粒子」與探測器之間的相互作用。這種方法是目前最直接的探測方法，但因為「弱相互作用大品質粒子」與探測器之間的相互作用概率非常小，因此需要大量的實驗資料和長時間的積累。
間接探測：通過觀測宇宙中高能粒子的發射和湮滅，間接探測暗物質。例如，某些暗物質粒子湮滅時會釋放出高能伽馬射線，通過觀測這些高能伽馬射線，便可間接探測到暗物質的存在。這種方法需要借助空間望遠鏡等設備來進行觀測。
大型物理實驗：通過在高能物理實驗室內進行大規模的物理實驗，尋找暗物質粒子。例如中國大亞灣核反應爐實驗，就是利用核反應爐產生的中子來尋找暗物質粒子的一種實驗方法。

除了暗物質粒子探測衛星「悟空」外，中國還有其他與暗物質有關的航太項目。其中，比較知名的有「嫦娥」系列月球探測器和「天宮」太空站。

「嫦娥」系列月球探測器︰是中國自主研發的月球探測器，已成功發射多枚探測器，對月球進行了深入探測。其中，「嫦娥五號」探測器採集了月球表面的岩石和土壤樣本，這些樣本中可能包含有關暗物質的資訊。通過對這些樣本的研究，科學家們可以更好地了解暗物質的性質和作用機制。

「天宮」太空站︰是中國正在建設中的太空站，將成為未來中國進行太空科學實驗和研究的重要平台。在「天宮」太空站上，科學家們將進行各種與暗物質有關的實驗和研究，例如利用特殊的探測器來觀測暗物質粒子，以及研究暗物質對宇宙射線的影響等。這些實驗將有助於我們更深入地了解暗物質的性質和作用機制，推動暗物質研究的進展，甚至研究從暗物質、引力波到癌症惡化和病原菌生長等等相關課題。

暗物質是當前天文學和物理學領域研究的熱點問題之一。儘管我們已知道暗物質在宇宙中佔據了很大的比例，但我們還不知道它的具體成分和性質。對暗物質的研究不僅有助於我們更深入理解宇宙的起源和演化，還有可能推動物理學的發展，發現新的物理規律和現象。因此我們需要不斷探索新的方法和技術，更好地探測和研究暗物質。

總之，中國在航太領域的發展，為暗物質研究提供了重要的支援和保障。未來，隨着中國航太技術的不斷進步和應用，我們有望在暗物質研究方面取得更多重要成果和突破。