“宇宙由什么構(gòu)成” 是當(dāng)前國(guó)際上125個(gè)最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題之一。根據(jù)最新的天文觀測(cè)，當(dāng)前宇宙約 96% 的能量組分來自“兩暗”，即暗物質(zhì) (約23%) 與暗能量 (約73%)?！皟砂怠敝髟字?dāng)前的宇宙，然而其本質(zhì)至今尚未被揭示。正如其名，“兩暗”宛如兩朵巨大烏云，籠罩著21世紀(jì)物理學(xué)的天空。
暗物質(zhì)之謎
1884年，英國(guó)科學(xué)家開爾文勛爵 (即威廉·湯姆森，熱力學(xué)之父) 試圖利用銀河系中恒星的運(yùn)動(dòng)速度來估算銀河系質(zhì)量。他驚奇地發(fā)現(xiàn)，如此計(jì)算得出的銀河系質(zhì)量不同于可見的恒星質(zhì)量之和。他由此推斷，銀河系中存在大量不發(fā)光的“暗體”。1906年，法國(guó)數(shù)學(xué)大師龐加萊在討論開爾文的工作時(shí)，首次使用了“暗物質(zhì)”一詞。1933年，瑞士天文學(xué)家茲威基，在推算星系團(tuán)平均質(zhì)量時(shí)，發(fā)現(xiàn)星系質(zhì)量與觀測(cè)亮度相差近200倍，因此推測(cè)星系團(tuán)里的絕大部分物質(zhì)可能是暗物質(zhì)。
上世紀(jì)70年代，美國(guó)天文學(xué)家薇拉·魯賓精確測(cè)定了大量星系的旋轉(zhuǎn)曲線，即星系不同半徑處恒星的運(yùn)動(dòng)速度。她發(fā)現(xiàn)，此測(cè)量結(jié)果與牛頓力學(xué)預(yù)言有很大差異，并首次定量的指出，大多數(shù)星系內(nèi)存在約6倍于可見物質(zhì)的暗物質(zhì)。自此，暗物質(zhì)的存在被天文學(xué)家廣泛接受。
暗物質(zhì)雖不發(fā)光，但受到引力作用，因此科學(xué)家可以通過引力效應(yīng)來探測(cè)其空間分布。最常用的手段是利用類似海市蜃樓的“引力透鏡”效應(yīng)。根據(jù)廣義相對(duì)論，光線在引力場(chǎng)中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生偏折，而偏折程度可以被用來反推由暗物質(zhì)引起的引力場(chǎng)，從而間接捕捉暗物質(zhì)的蹤跡。2021年5月，“暗能量巡天” (DES) 國(guó)際合作組利用引力透鏡效應(yīng)，成功得到了迄今為止最大規(guī)模、分辨率最高的暗物質(zhì)空間分布天圖 (見圖1)。
圖 1. DES巡天得到的目前最大、分辨率最高的暗物質(zhì)分布天圖。來源：N Jeffrey/DES巡天合作組
盡管這些利用引力效應(yīng)重建出的“暗物質(zhì)天圖”可以讓我們“看見”暗物質(zhì)，但這距離揭示暗物質(zhì)本質(zhì)還相距甚遠(yuǎn)。暗物質(zhì)到底是什么？我們能否直接探測(cè)到暗物質(zhì)粒子，而不是僅僅通過其引力效應(yīng)？
暗物質(zhì)概念被提出以來，人們建立了多種假說以解釋這種神秘的物質(zhì)，比如冷暗物質(zhì)，溫暗物質(zhì)等。其中一種觀點(diǎn)認(rèn)為，暗物質(zhì)粒子是一種弱相互作用帶質(zhì)量粒子 (WIMPs)。此粒子質(zhì)量相對(duì)較重，在宇宙中產(chǎn)生時(shí)速度較小，因此被稱為冷暗物質(zhì)粒子。由于WIMPs只參與弱相互作用，直接探測(cè)的方式是通過測(cè)量暗物質(zhì)粒子與普通物質(zhì)相互碰撞后，靶核的反沖能量、方向、數(shù)量及其隨時(shí)間變化等參數(shù)和特性來研究暗物質(zhì)粒子的基本性質(zhì)。由于此信號(hào)極其微弱，且極易受到宇宙線污染，科學(xué)家不得不在極深的地下實(shí)驗(yàn)室建立充滿液氙，高純鍺等物質(zhì)的探測(cè)器，等待暗物質(zhì)粒子的光臨。此類實(shí)驗(yàn)包括國(guó)際上的XENON, DarkSide，以及部署在我國(guó)四川錦屏山地下2400米的“熊貓”(PandaX) 暗物質(zhì)探測(cè)計(jì)劃等。
暗物質(zhì)粒子原則上也可被間接探測(cè)。 其原理是通過探測(cè)暗物質(zhì)粒子自身衰變或者相互碰撞后湮滅的產(chǎn)物 (比如伽馬射線，正負(fù)電子等)，來研究暗物質(zhì)的性質(zhì)。此類實(shí)驗(yàn)通常在空間衛(wèi)星上進(jìn)行，比如我國(guó)的“悟空”暗物質(zhì)衛(wèi)星，歐洲的AMS-02衛(wèi)星項(xiàng)目等。
盡管目前的暗物質(zhì)直接和間接探測(cè)實(shí)驗(yàn)還未捕捉到暗物質(zhì)粒子，不過隨著新探測(cè)方法的建立和探測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，相信暗物質(zhì)粒子將在不久的將來被捕獲。
暗能量之謎
1998年，三位科學(xué)家通過對(duì)一類被稱為超新星的天體的觀測(cè)，驚奇的發(fā)現(xiàn)，今天的宇宙時(shí)空不僅在膨脹，而且是在加速膨脹。此發(fā)現(xiàn)讓天文學(xué)家大為意外，因?yàn)楦鶕?jù)愛因斯坦建立的廣義相對(duì)論，一個(gè)由物質(zhì)構(gòu)成的宇宙只能減速膨脹，而無(wú)法加速。宇宙的加速膨脹意味著當(dāng)前宇宙中可能充滿著一種未知的“暗能量”組分，其作用等效一種斥力。此重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)2011年被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
圖 2. 暗能量狀態(tài)方程隨時(shí)間的演化歷史。來源：Zhao et al, Nature Astromony (2017).
最早的暗能量模型應(yīng)追溯到愛因斯坦時(shí)代。1917年，愛因斯坦發(fā)表了一篇論文，“創(chuàng)新”地在他的愛因斯坦方程右邊加入了一個(gè)“宇宙學(xué)常數(shù)”項(xiàng)。此項(xiàng)來自真空能的貢獻(xiàn)，等效一種斥力作用。實(shí)際上，愛因斯坦的這波操作是為了在宇宙學(xué)尺度抵消引力，以獲得一個(gè)靜態(tài)的宇宙。1929年，英國(guó)天文學(xué)家哈勃發(fā)現(xiàn)了宇宙時(shí)空的膨脹現(xiàn)象，這讓愛因斯坦懊悔不已，以至于對(duì)他的好友伽莫夫說到：“引入宇宙學(xué)常數(shù)是我一生中犯的最大錯(cuò)誤”。然而，愛因斯坦的這個(gè)“誤操作”卻無(wú)意中解釋了1998年的天文觀測(cè)：一個(gè)本來膨脹的宇宙加上斥力的作用必定加速膨脹！
盡管愛因斯坦當(dāng)年的誤打誤撞可以在一定程度上解釋1998年的觀測(cè)，但暗能量真的是真空能嗎？研究發(fā)現(xiàn)，真空能暗能量模型存在著理論不自恰的缺陷，其預(yù)言與最新觀測(cè)也有一定的偏差。上世紀(jì)80年代開始，皮布爾斯 (2019年諾貝爾物理獎(jiǎng)得主) 等人開始嘗試建立動(dòng)力學(xué)暗能量模型。他們認(rèn)為，暗能量作為一種未知的能量場(chǎng)，應(yīng)具有動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，即其能量密度、壓強(qiáng)等物理量隨時(shí)間演化。
圖3. 基于SDSS巡天20年觀測(cè)得到的宇宙膨脹歷史示意圖。來源：SDSS合作組
測(cè)量暗能量狀態(tài)方程，即暗能量壓強(qiáng)與密度的比值，是研究暗能量屬性的重要手段。但由于暗能量密度極低，傳統(tǒng)直接探測(cè)手段無(wú)法適用。在宇宙學(xué)研究中，科學(xué)家通常需要結(jié)合多種手段，比如超新星觀測(cè)，海量星系的三維空間分布，宇宙微波背景輻射天圖，引力透鏡等，來重建暗能量隨時(shí)間的演化歷史。圖3 顯示SDSS星系巡天國(guó)際合作組（近10年來國(guó)際最大規(guī)模星系光譜巡天）利用200余萬(wàn)顆星系的三維成團(tuán)性特征得到的宇宙膨脹歷史示意圖。該結(jié)果中包含重要的暗能量信息。
2017年，暗能量的動(dòng)力學(xué)屬性在3.5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差水平被SDSS BOSS星系巡天觀測(cè)證認(rèn)，這意味著暗能量很可能不是真空能。當(dāng)然，暗能量的動(dòng)力學(xué)屬性還需要進(jìn)一步證認(rèn)。未來5-10年內(nèi)，更大規(guī)模的星系巡天項(xiàng)目，如DESI, PFS，中國(guó)空間站巡天望遠(yuǎn)鏡等將在更高精度重建宇宙的時(shí)空膨脹歷史，進(jìn)而證認(rèn)暗能量的動(dòng)力學(xué)屬性，揭示其本質(zhì)。
