STEAM教育｜寻找「暗物质」真面目｜星岛教室

2024-03-07 12:28

「暗物质」（Dark Matter）是一种理论上提出的物质，它是一种由于其弱相互作用和电磁相互作用的观测效应都不明显，因此很难探测到的物质。尽管暗物质在宇宙中占据了很大的比例，但我们对其性质和构成仍知之甚少。

示意图

中国「悟空」大发现

在20世纪30年代，瑞士天文学家茨威基（Fritz Zwicky）使用当时最先进的望远镜研究后发座星系团，发现星系团中的星系在高速运动，但奇怪的是，它们并没有因为高速运动而飞散开来，这意味着除了看得见的星系外，还有大量看不见的物质在星系团中产生引力，将星系聚集在一起。茨威基将这种看不见的物质称为「暗物质」。

2017年11月30日，中国科学院发布了暗物质粒子探测卫星「悟空」的首批探测成果。据这些成果显示，「悟空」卫星在太空中测量到电子宇宙射线的一处异常波动，这一神秘信号首次为人类所观测，意味着中国科学家可能取得了一项开创性发现。这种异常波动出现在1.4万亿电子伏特的超高能谱段，科研人员推测，它可能来自宇宙中「品质为1.4万亿电子伏特左右的新物理粒子」。如果这一发现最终被证实与暗物质相关，它将是一项具有划时代意义的科学成果。

暗物质是一种难以探测的物质，因为它不发光、不发热，也不与电磁波发生相互作用，因此很难被直接观测到。但是，由于暗物质对宇宙学标准模型具有重要影响，因此科学家们一直寻找它的踪迹。过去几十年，科学家们已通过各种手段间接地探测到暗物质的存在，但是直接探测暗物质粒子一直是物理学领域的难题。

「悟空」卫星是中国第一颗用于探测暗物质的天文卫星，它的主要任务是通过高能量分辨和高空间分辨观测高能电子和伽马射线，寻找和研究暗物质粒子。这次发现的异常波动，为暗物质粒子的存在提供了新的线索和证据。虽然目前仍无法确定这一发现是否与暗物质直接相关，但它已经引起了国际科学界的广泛关注和热议。总之，「悟空」卫星的这一发现，为我们更深入理解宇宙的本质和结构，提供了新的视角和思路。

暗物质性质与组成

弱相互作用：暗物质之间，以及暗物质与普通物质之间的相互作用非常微弱，远低于电磁相互作用。因此，暗物质无法通过电磁辐射来直接观测。

引力作用：由于暗物质具有强烈的引力作用，我们可以通过观测星系旋转速度、星系团运动等宇宙天体运动的规律，间接探测暗物质的存在。

不发光：暗物质不会发出可见光、红外线、紫外线等电磁辐射，因此我们无法直接看到它。

暗物质的组成成分目前尚不清楚，但科学家提出了几种可能的候选者。其中最广泛被研究的是「弱相互作用大品质粒子」（WIMPs），这是一种假设存在的粒子，它们之间通过弱相互作用力相互碰撞。除此之外，还有「轴子」（Axions）、「惰性中微子」（Sterile Neutrinos）等也被认为是暗物质的可能组成成分。

暗物质在宇宙演化中起着至关重要的作用。由于暗物质具有强烈的引力作用，因此它主导了宇宙中星系的形成和演化。暗物质的分布和运动规律亦影响了宇宙的演化过程，例如星系的形成、星系团的运动等。因此，对暗物质的研究，有助于我们更深入地理解宇宙的起源和演化。

暗物质探测方法

由于暗物质与普通物质的相互作用非常微弱，因此探测暗物质的方法非常有限。目前主要有以下几种方法：

直接探测：通过在高能物理实验室内放置专门的探测器，直接观测「弱相互作用大品质粒子」与探测器之间的相互作用。这种方法是目前最直接的探测方法，但因为「弱相互作用大品质粒子」与探测器之间的相互作用概率非常小，因此需要大量的实验资料和长时间的积累。
间接探测：通过观测宇宙中高能粒子的发射和湮灭，间接探测暗物质。例如，某些暗物质粒子湮灭时会释放出高能伽马射线，通过观测这些高能伽马射线，便可间接探测到暗物质的存在。这种方法需要借助空间望远镜等设备来进行观测。
大型物理实验：通过在高能物理实验室内进行大规模的物理实验，寻找暗物质粒子。例如中国大亚湾核反应炉实验，就是利用核反应炉产生的中子来寻找暗物质粒子的一种实验方法。

除了暗物质粒子探测卫星「悟空」外，中国还有其他与暗物质有关的航太项目。其中，比较知名的有「嫦娥」系列月球探测器和「天宫」太空站。

「嫦娥」系列月球探测器︰是中国自主研发的月球探测器，已成功发射多枚探测器，对月球进行了深入探测。其中，「嫦娥五号」探测器采集了月球表面的岩石和土壤样本，这些样本中可能包含有关暗物质的资讯。通过对这些样本的研究，科学家们可以更好地了解暗物质的性质和作用机制。

「天宫」太空站︰是中国正在建设中的太空站，将成为未来中国进行太空科学实验和研究的重要平台。在「天宫」太空站上，科学家们将进行各种与暗物质有关的实验和研究，例如利用特殊的探测器来观测暗物质粒子，以及研究暗物质对宇宙射线的影响等。这些实验将有助于我们更深入地了解暗物质的性质和作用机制，推动暗物质研究的进展，甚至研究从暗物质、引力波到癌症恶化和病原菌生长等等相关课题。

暗物质是当前天文学和物理学领域研究的热点问题之一。尽管我们已知道暗物质在宇宙中占据了很大的比例，但我们还不知道它的具体成分和性质。对暗物质的研究不仅有助于我们更深入理解宇宙的起源和演化，还有可能推动物理学的发展，发现新的物理规律和现象。因此我们需要不断探索新的方法和技术，更好地探测和研究暗物质。

总之，中国在航太领域的发展，为暗物质研究提供了重要的支援和保障。未来，随着中国航太技术的不断进步和应用，我们有望在暗物质研究方面取得更多重要成果和突破。