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科学我们为什么要找暗物质？( 二 )


后来 ， 人们在宇宙的各种尺度和演化的各个时期 ， 都一致地发现了暗物质的踪迹 。 星系团中常常存在能发射出X-射线的炽热气体 ， 当气体在星系团引力场中达到流体力学平衡后 ， 可通过其温度推测出星系团的质量 。 大量的星系团X-射线观测数据表明 ， 星系团质量远大于其中发光部分的质量总和 。
此外 ， 通过对弱引力透镜效应的研究 ， 人们也发现了星系团中存在大量暗物质的证据 。
科学我们为什么要找暗物质？
本文插图
2014年12月24日拍摄的锦屏山隧道 ， 中国锦屏地下实验室便在这隧道中部
完全未知的新物质
在宇宙尺度上 ， 通过对宇宙中微波背景辐射各向异性的精细观测 ， 可以确定出宇宙中暗物质的总量 。 目前的观测表明 ， 宇宙的总物质中 ， 约有85%是暗物质；15%为常规物质 ， 其中主要为星际气体和尘埃；而发光的恒星属于常规物质 ， 只占宇宙物质总量的1.5% 。
暗物质是什么？目前没人知道 。 但比较肯定的是 ， 暗物质不应是由常规原子组成的物质 ， 即不是由电子和原子核（质子和中子）构成的 。 因为宇宙中这些物质的总量是确定的 ， 可由热大爆炸原初核合成理论计算得出 ， 并符合观测结果 。 如此大量的暗物质 ， 不可能属于常规物质 。 暗物质是一种完全未知的新物质 ， 与日月星辰、地球上的万物都不同类 ， 堪称宇宙间沉默的大多数 。
一种可以了解暗物质的方法 ， 是研究暗物质是否与常规物质有微弱的相互作用 。 如果有的话 ， 则可能通过实验室手段研究暗物质的属性 。 前文提到的吨级液氙探测器Xenon-1T ， 就是在探测暗物质与原子核的散射 。 该探测器利用约一吨的液氙作为探测靶物质 ， 液氙是一种闪烁体 ， 它身边飞过的暗物质粒子只要打在其任何一个氙原子上 ， 都有可能发出闪光 ， 光信号会被灵敏的仪器记录下来 。 这种测量难度很大 ， 主要是要克服各种放射性本底 。
经过一年的数据积累 ， 它在指定信号区域发现了53个事例 ， 出现误判的可能性只有千分之一 。 但这个误判率在科学上还是不够有说服力 。 只有误判率低于约三百万分之一 ， 才可为科学界所接受 。 该实验组进一步研究发现 ， 实验仪器中的空气可能受到了放射性同位素氚的污染 。 氚是氢的一种放射性同位素 ， 可以产生类似的事例 。 目前还无法确定污染的程度 ， 因此还需要进一步研究 。
科学我们为什么要找暗物质？
本文插图
资料图：PandaX实验组的研究人员在中国锦屏地下实验室对设备进行检查 。 新华社发
我国也正在积极推进暗物质方面的研究工作 。 2010年 ， 位于四川锦屏山的一个暗物质探测实验室建成 。 该实验室在地下2400米深处 ， 能很好地屏蔽各种宇宙射线背景的干扰 ， 是目前为止世界最深的地下探测实验室 。 分别由清华大学和上海交通大学主导的暗物质直接探测实验CDEX和PandaX正在运行 ， 已经取得了位居世界前列的成果 。
在暗物质空间探测方面 ， 我国第一颗暗物质探测卫星“悟空号”已经升空并顺利运行 ， 它采集了来自宇宙的高能核子、电子和伽马射线的大量数据 ， 取得了重要的成果 。 （作者系中国科学院理论物理研究所研究员）
【科学我们为什么要找暗物质？】来源：2020年8月19日出版的《环球》杂志 第17期


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