捕捉宇宙“黑勢力”——暗物質與暗能量探測
出品：科普中國
製作：繆子文化 崔二亮
監製：中國科學院電腦網路資訊中心
眾裡尋他千百度。驀然回首，那人卻在，燈火闌珊處。
——辛棄疾《青玉案·元夕》
關於暗物質和暗能量的研究由來已久，
暗物質和暗能量或占宇宙絕大部分品質
許多大尺度和精確的天文觀測表明，宇宙中存在大量的暗能量和暗物質。通過對比發光物質、X射線示蹤和引力透鏡構建的品質分佈，發現引力透鏡構建的品質分佈與星系分佈重合，遠優於前兩種情況。
遙遠星系紅移現象的精確觀測表明宇宙膨脹過程的後半段是加速的。宇宙微波背景輻射(cosmic microwave background, CMB)的觀測表明宇宙是平坦的，這意味著宇宙整體的物質密度近似等於宇宙大爆炸理論中提出的臨界密度。但是，把現有暗物質和普通物質的觀測總量加起來遠不夠這個臨界密度，這就需要有額外的物質即暗能量來貢獻額外品質。
宇宙大尺度品質密度的傅立葉譜也支持暗能量存在的假設。由歐洲空間局(European Space Agency, ESA)2009年發射升空的普朗克衛星在2013年傳回的最新的各向異性的宇宙微波背景輻射圖以目前能達到的最高精度顯示，整個宇宙的品質能量成分為：4.9%的普通可見物質，26.8%的暗物質以及68.3%的暗能量。這意味著，暗物質占物質總量的84.5%，而暗能量和暗物質加起來占整個品質能量成分的95.1%。也就是說，對於占宇宙絕大部分品質的暗物質和暗能量，
普朗克衛星傳回的宇宙微波背景輻射圖
暗物質的測量方法：直接測量與間接測量
由於暗物質和暗能量的特殊性質，導致它們非常難以探測，但是，再大的困難也擋不住科學家對於它們孜孜不倦的“追求”。
科學家通過加入強弱不同的相互作用模擬，最終得到暗物質的一些基本屬性：不參與電磁和強作用；參與引力相互作用和弱相互作用；穩定或長壽命；非重子暗物質為主；非重子中冷暗物質為主。正因為如此，我們對於暗物質才視而不見，苦苦求索而不得。然而，科學的探索從來都沒有一帆風順，越是艱難才越能成就科學。暗物質的實驗測量分為兩種：直接測量和間接測量。
直接實驗測量的依據是，暗物質由暗物質粒子構成，由於暗物質數量龐大，必然有大量的暗物質粒子到達地球，而暗物質粒子與原子核會發生弱相互作用和引力相互作用，這樣，通過測量暗物質粒子的散射信號，就能夠確認暗物質的存在。
間接實驗測量，是基於暗物質粒子的湮滅和衰變。
（1）暗物質的直接測量：地下實驗室
由於微觀粒子間的引力相互作用非常弱，所以，直接測量實際上是測量由於弱相互作用發生的暗物質粒子散射。科學家用高靈敏度的、遮罩的探測器探測聲子(Phonon)、帶電粒子(charge)和光(light)的散射信號，這需要扣除來自於原子和原子核內部的強烈的散射背景。
直接探測的進行都是在地下實驗室，因為岩石層對於宇宙射線的遮罩給背景扣除帶來方便，地下實驗室越深，對宇宙射線的遮罩就越好，也越容易實現高靈敏度。
地下實驗室主要分為兩種：一種是利用廢棄礦井；另外一種利用地下隧道。中國的地下實驗室CJPL利用四川西昌地區錦屏山條件極好的地下隧道。隧道上方覆蓋2.5公里厚的變質岩，是世界第二深的隧道，建成的實驗室是世界上最深的地下實驗室，而且變質岩自身放射性相當低，為暗物質的直接探測實驗提供了非常好的條件。
到目前為止，世界上共有四個實驗聲稱看到了暗物質存在的疑似信號，分別為：DAMA、CRESST、GoGeNT和CDMS，或許暗物質的直接探測已經離我們不遠。在中國的極深地下實驗室有兩個實驗組進行暗物質的直接測量，分別是清華大學主導的CDEX和上海交大主導的PANDAX。CDEX運用高純鍺探測器，一期為1kg高純鍺，探測靈敏度為10-40；二期預計目標為1噸高純鍺探測器陣列，探測靈敏度將高達10-46。PANDAX是利用惰性氣體氙作為探測物質，最終目標是建成噸量級液氙暗物質探測裝置。
各國地下實驗室對比圖
（2）暗物質的間接測量
暗物質的間接測量實驗是在外太空尋找暗物質粒子的自身湮滅和衰變產物。在緻密的暗物質區域(例如銀河系中心)正反兩個暗物質粒子對撞湮滅可以產生伽馬射線或者標準模型下的粒子對。另外，如果暗物質粒子不穩定，將會衰變產生標準粒子或其他粒子。這些過程可以通過探測剩餘伽馬射線或者反質子或者正電子而被發現。
但是這個過程的難點在於，宇宙是一個巨大的粒子物理實驗室，時刻發生各種各樣的粒子產生湮滅衰變的信號，如何扣除背景信號得到有效信號進而得到確定的結論，是需要解決的問題。在太陽或者地球周圍，大量的暗物質粒子與原子發生散射而損失能量，因此在這些天體的附近，會聚集大量的暗物質粒子，暗物質粒子發生碰撞或湮滅的概率也會加大。這些過程會以高能中微子的信號呈現出來，所以，利用空間衛星探測高能中微子信號，將會是暗物質存在的有力證據。
中國在2015年12月17日由長征二號丁運載火箭發射升空，將中國首顆暗物質探測衛星“悟空”送上500公里預定軌道。暗物質粒子探測衛星(DArk Matter Particle Explorer)簡稱DAMPE，悟空是它的昵稱，這一昵稱是在公開徵集的32517個命名方案中脫穎而出的。悟空有兩層含義：一是領悟探索太空之意；二是與中國古典神話中孫悟空同名，借助悟空的“火眼金睛”來觀測宇宙。
悟空上搭載4大科學載荷：塑閃陣列探測器、矽陣列探測器、BGO量能器和中子探測器，是中國首個天文觀測衛星，也是目前世界上觀測能譜最寬，能量解析度最優的空間探測器。“悟空”衛星的預計在軌時間為3年，其中前2年主要進行巡天觀測，最後1年根據前2年的觀測結果，再進行定點掃描探測。
此外，大型對撞機上尋找暗物質粒子也是一種方法。
歐洲核子中心CERN的大型強子對撞機LHC
暗能量的測量：暫且僅有其存在的證明
暗能量的測量比暗物質更為艱難。因為目前對暗能量的性質除了其負壓特性幾乎沒有別的瞭解。因此，暗能量的測量還沒有直接的方法和證據，只能通過它所造成的宇宙加速膨脹和宇宙早期暴漲階段的驗證來側面證明暗能量的存在。上面提到的發現的超新星爆發和宇宙微波背景輻射，都是證明暗能量存在的獨立證據。
在2017年5月，世界最大星系巡天eBOSS國際科學合作組通過美國新墨西哥州阿帕奇山頂天文臺的斯隆望遠鏡，利用宇宙深處的類星體測量發現了顯著的重子聲波振盪信號，這是暗能量存在的又一獨立的證據，再次證實了宇宙的加速膨脹。這一國際項目參與機構之一為中國科學院國家天文臺，並且受到了中國國家自然科學基金委員會和中國科學院的大力支持。
“中國天眼”：參與暗能量測量的新選手
此外，世界最大單口徑射電望遠鏡——500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）——“中國天眼”於2016年9月25日落成啟用。天眼是中國國家科教領導小組審議確定的國家九大科技基礎設施之一，於1994年提出工程概念，歷經可行性研究與初步設計，並於2011年3月破土動工。
天眼採用中國科學家獨創的設計和貴州南部的獨特地形條件，面積約為30個標準足球場大小，擁有完全自主智慧財產權。作為世界最大的單口徑望遠鏡，FAST將在未來20～30年保持世界一流設備的地位。FAST將承擔眾多科學觀測，如暗物質、暗能量、黑洞甚至搜尋可能的星外文明。其中，在FAST上進行的“天籟計畫”，就是由中國科學家自主制定的探測暗能量的大型科學計畫。
宇宙三維圖像切片圖 觀測者到星系和類星體的距離以回溯時間標注
位於美國阿帕奇天文臺的斯隆望遠鏡
位於中國貴州的FAST射電望遠鏡
二十世紀物理學天空上兩朵烏雲“黑體輻射”和“乙太”成就了量子力學和相對論。量子力學和相對論成為現代物理學的兩大基石，那麼二十一世紀物理學天空上的兩朵烏雲“暗物質”和“暗能量”呢？會不會有更大的風暴將要席捲整個物理學界，我們拭目以待！
“科普中國”是中國科協攜同社會各方利用資訊化手段開展科學傳播的科學權威品牌。
所以，直接測量實際上是測量由於弱相互作用發生的暗物質粒子散射。科學家用高靈敏度的、遮罩的探測器探測聲子(Phonon)、帶電粒子(charge)和光(light)的散射信號，這需要扣除來自於原子和原子核內部的強烈的散射背景。直接探測的進行都是在地下實驗室，因為岩石層對於宇宙射線的遮罩給背景扣除帶來方便，地下實驗室越深，對宇宙射線的遮罩就越好，也越容易實現高靈敏度。
地下實驗室主要分為兩種：一種是利用廢棄礦井；另外一種利用地下隧道。中國的地下實驗室CJPL利用四川西昌地區錦屏山條件極好的地下隧道。隧道上方覆蓋2.5公里厚的變質岩，是世界第二深的隧道，建成的實驗室是世界上最深的地下實驗室，而且變質岩自身放射性相當低，為暗物質的直接探測實驗提供了非常好的條件。
到目前為止，世界上共有四個實驗聲稱看到了暗物質存在的疑似信號，分別為：DAMA、CRESST、GoGeNT和CDMS，或許暗物質的直接探測已經離我們不遠。在中國的極深地下實驗室有兩個實驗組進行暗物質的直接測量，分別是清華大學主導的CDEX和上海交大主導的PANDAX。CDEX運用高純鍺探測器，一期為1kg高純鍺，探測靈敏度為10-40；二期預計目標為1噸高純鍺探測器陣列，探測靈敏度將高達10-46。PANDAX是利用惰性氣體氙作為探測物質，最終目標是建成噸量級液氙暗物質探測裝置。
各國地下實驗室對比圖
（2）暗物質的間接測量
暗物質的間接測量實驗是在外太空尋找暗物質粒子的自身湮滅和衰變產物。在緻密的暗物質區域(例如銀河系中心)正反兩個暗物質粒子對撞湮滅可以產生伽馬射線或者標準模型下的粒子對。另外，如果暗物質粒子不穩定，將會衰變產生標準粒子或其他粒子。這些過程可以通過探測剩餘伽馬射線或者反質子或者正電子而被發現。
但是這個過程的難點在於，宇宙是一個巨大的粒子物理實驗室，時刻發生各種各樣的粒子產生湮滅衰變的信號，如何扣除背景信號得到有效信號進而得到確定的結論，是需要解決的問題。在太陽或者地球周圍，大量的暗物質粒子與原子發生散射而損失能量，因此在這些天體的附近，會聚集大量的暗物質粒子，暗物質粒子發生碰撞或湮滅的概率也會加大。這些過程會以高能中微子的信號呈現出來，所以，利用空間衛星探測高能中微子信號，將會是暗物質存在的有力證據。
中國在2015年12月17日由長征二號丁運載火箭發射升空，將中國首顆暗物質探測衛星“悟空”送上500公里預定軌道。暗物質粒子探測衛星(DArk Matter Particle Explorer)簡稱DAMPE，悟空是它的昵稱，這一昵稱是在公開徵集的32517個命名方案中脫穎而出的。悟空有兩層含義：一是領悟探索太空之意；二是與中國古典神話中孫悟空同名，借助悟空的“火眼金睛”來觀測宇宙。
悟空上搭載4大科學載荷：塑閃陣列探測器、矽陣列探測器、BGO量能器和中子探測器，是中國首個天文觀測衛星，也是目前世界上觀測能譜最寬，能量解析度最優的空間探測器。“悟空”衛星的預計在軌時間為3年，其中前2年主要進行巡天觀測，最後1年根據前2年的觀測結果，再進行定點掃描探測。
此外，大型對撞機上尋找暗物質粒子也是一種方法。
歐洲核子中心CERN的大型強子對撞機LHC
暗能量的測量：暫且僅有其存在的證明
暗能量的測量比暗物質更為艱難。因為目前對暗能量的性質除了其負壓特性幾乎沒有別的瞭解。因此，暗能量的測量還沒有直接的方法和證據，只能通過它所造成的宇宙加速膨脹和宇宙早期暴漲階段的驗證來側面證明暗能量的存在。上面提到的發現的超新星爆發和宇宙微波背景輻射，都是證明暗能量存在的獨立證據。
在2017年5月，世界最大星系巡天eBOSS國際科學合作組通過美國新墨西哥州阿帕奇山頂天文臺的斯隆望遠鏡，利用宇宙深處的類星體測量發現了顯著的重子聲波振盪信號，這是暗能量存在的又一獨立的證據，再次證實了宇宙的加速膨脹。這一國際項目參與機構之一為中國科學院國家天文臺，並且受到了中國國家自然科學基金委員會和中國科學院的大力支持。
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此外，世界最大單口徑射電望遠鏡——500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）——“中國天眼”於2016年9月25日落成啟用。天眼是中國國家科教領導小組審議確定的國家九大科技基礎設施之一，於1994年提出工程概念，歷經可行性研究與初步設計，並於2011年3月破土動工。
天眼採用中國科學家獨創的設計和貴州南部的獨特地形條件，面積約為30個標準足球場大小，擁有完全自主智慧財產權。作為世界最大的單口徑望遠鏡，FAST將在未來20～30年保持世界一流設備的地位。FAST將承擔眾多科學觀測，如暗物質、暗能量、黑洞甚至搜尋可能的星外文明。其中，在FAST上進行的“天籟計畫”，就是由中國科學家自主制定的探測暗能量的大型科學計畫。
宇宙三維圖像切片圖 觀測者到星系和類星體的距離以回溯時間標注
位於美國阿帕奇天文臺的斯隆望遠鏡
位於中國貴州的FAST射電望遠鏡
二十世紀物理學天空上兩朵烏雲“黑體輻射”和“乙太”成就了量子力學和相對論。量子力學和相對論成為現代物理學的兩大基石，那麼二十一世紀物理學天空上的兩朵烏雲“暗物質”和“暗能量”呢？會不會有更大的風暴將要席捲整個物理學界，我們拭目以待！
“科普中國”是中國科協攜同社會各方利用資訊化手段開展科學傳播的科學權威品牌。