揭秘宇宙的“黑暗面”(1)
费米伽马射线太空望远镜美国天文学家卡尔·萨根曾说：“我们是由恒星物质组成的。”意思是说，无论是恒星，还是地球、月亮，亦或是一个人、一条狗，都是由同样的物质组成的，如碳、氢、氧……但近几十年来，天文学家认为，宇宙中并非仅仅存在“恒星物质”，还有一些东西似乎在用一种出乎意料的方式影响星系运动，它们构成了“宇宙的黑暗面”，被称为暗物质和暗能量。由于无法直接看见，天文学家不得不研究暗物质和暗能量对恒星和星系的影响，所以还是得观测那些看得见的恒星和星系。
2017年年初，美国国家航空航天局的钱德拉X射线太空望远镜捕捉到一束不寻常的X射线辐射，被认为有可能是暗物质粒子发生衰变时产生的X射线信号。此前，类似发现也出现过，有时是X射线辐射，有时是伽马射线辐射，但均未被此后的研究证实它们真的来自暗物质的衰变或者湮灭。
人们现在已经知道，在宇宙中，暗物质的占有量位居第二，而暗能量居第一，最后才是我们熟悉的恒星物质，它们只占宇宙物质总质量的不足5%。假若我们信奉“眼见为实”，那么绝大部分宇宙我们就无法相信了。这样的现实成就了现代科学中最大的疑问：我们的宇宙究竟是什么？除了已知粒子外，宇宙中究竟还有什么？
现在，全世界的物理学家都想发现暗物质粒子，也想了解暗能量。他们在地下实验室里做实验，他们用功能强大的太空望远镜获取数据。一场破解“宇宙黑暗面”之谜的大竞赛正在如火如荼地进行着。
由1000多个星系组成的后发座星系团暗物质的发现
我们知道，物体的质量越大，引力便越大。正是由于引力的存在，地球才会围绕太阳旋转，而不是脱离太阳直接飞走；同样是引力，也让科学家意识到了暗物质的存在。
1933年，美国加州理工学院的天体物理学家弗里茨·兹威基研究了一个遥远的星系团—后发座星系团。这个星系团中的所有星系都因引力的作用而聚在一起。兹威基计算发现，仅靠星系团中可见部分的质量根本就无法解释星系团的运动，除非把这个质量扩大100多倍。兹威基推测，一定有某些看不见的东西在那里，这种看不见的东西没有确切的名字，他称之为“暗物质”。
随着时间的推移，越来越多有关暗物质存在的证据出现了。20世纪70年代，天文学家观测到有些星系的旋转方式很奇特，这种奇怪的运动只能用暗物质的影响来解释。他们还发现，宇宙中星系的总质量确实远远大于星系中可见星体质量的总和，这也为暗物质理论提供了重要依据。
探索暗物质的本质
美国太空望远镜科学研究所的丹·科主持了一项针对“阿贝尔1689”的星系团的研究。这个星系团距离地球22亿光年。由于大量暗物质的存在，巨大的引力使它宛若一个宇宙中的“放大镜”，它背后遥远星系发出的光都被这个“放大镜”扭曲和放大了，这就是“引力透镜”现象。这种现象有点类似哈哈镜，它把现实中的景物改变和增强了。你还可以想象光线穿过水杯或者水池时发生弯曲的情形。正是这些变形的影像为天文学家推测星系团中的暗物质提供了线索，从而让丹·科等人标示出了其中暗物质的分布情况。
然而，证明暗物质的存在并不等于有关暗物质的问题就解决了，科学家还必须找到组成暗物质的粒子，而这项工作更加困难，迄今收效甚微。尽管人们设计了很多实验，但多局限在“排除法”，即用各种实验排除一些暗物质的“候选者”，但尚未能主动地捕捉到暗物质粒子。
这是科学家通过“哈勃”望远镜观测“引力透镜”现象绘制的宇宙暗物质三维图，它显示了相当于9个满月大小的一片天区中的暗物质分布情况。普通物质由质子、中子和电子组成，称为“重子物质”，而暗物质则属于非重子物质。它们的行为很不平常。想象一下，数以亿计的暗物质粒子正在穿透你的身体，它们运动得非常快，接近90万千米每小时；它们穿越原子，仿佛那些原子根本就不存在；暗物质粒子不反光，它们对电流和磁场也毫无反应。
钱德拉X射线太空望远镜曾捕捉到一束超量X射线辐射寻找暗物质粒子
科学家想出了很多理论去解释暗物质，也想出了很多办法寻找暗物质粒子。随着研究和实验的进行，有的“候选者”被排除了，例如中微子。尽管中微子的存在已被证实，但科学家发现，中微子不足以弥补宇宙中缺失的质量，所以中微子无助于破解暗物质的奥秘。
另一种未被排除的粒子名为中性子，是一种“弱相互作用大质量粒子”，简称WIMP。它有一些质量，但很少和其他粒子在一起。一些科学家相信，WIMP是暗物质粒子最有希望的“候选者”。
目前，科学家正在依靠高能伽马射线寻找WIMP。例如使用费米伽马射线太空望远镜捕捉WIMP的踪迹。费米望远镜长约2.8米，口径约2.5米。最初被称作“伽马射线广域空间望远镜”，后來为了纪念美籍意大利裔物理学家恩里科·费米而改用此名。尽管WIMP不会和可见光光子发生作用，但两者撞在一起时会彼此摧毁对方而产生伽马射线，这个过程被称为“湮灭”。科学家认为，探测因“湮灭”而产生的伽马射线能够捕捉到WIMP的蛛丝马迹。 (张唯诚)