“隐形”的暗物资，为何要踢天弄井去找它？

寰宇中存在多半产生引力却不发光的物资，这么的物资被称作“暗物资”，其总量远远朝上组成可见寰球的物资。

前不久，中国科学院薪金研判125个科学盘问前沿，轴子暗物资探伤位列其中。比年来，科学家应用东说念主工智能、量子时代等探伤暗物资，也取得了可喜的发达。

暗物资对寰宇影响深刻，那是一种看不见的力量，缄默鼓励着寰宇的演化。探伤和盘问暗物资，是一个拓展东说念主类领路畛域的经过，科学家不断提议新的表面和盘问方法，每一次新发现王人可能颠覆咱们对寰宇的强壮。本期“瞰前沿”热心暗物资盘问，了解一下阿谁充惬心想真理和厚谊的暗物资寰球。

2015年12月

中国告捷辐照暗物资粒子探伤卫星“悟空”

“悟空”卫星在轨示意图。“悟空”卫星为暗物资径直和曲折探伤提供了多半陈迹。中国科学院紫金山天文台供图

2016年9月

“中国天眼”落成启用

中国500米口径球面射电千里镜（FAST）全景。2024年，FAST发现了6个距离地球约50亿光年的中性氢星系，通过探伤盘问中性氢，关于长入暗物资、暗能量属性，解读星系造成和演化经过等具有勤勉意旨。新华社记者  欧东衢 摄

2018年

平方公里阵列射电千里镜先导状貌MeerKAT千里镜阵列建成启用

平方公里阵列射电千里镜先导状貌MeerKAT射电千里镜，与其不雅测到的星河系中心的苍劲射电频段气泡示意图（合成相片）。新华社发

2023年12月

中国极深地下实验室锦屏大体式认真参加科学开动

位于中国锦屏地下实验室二期的中国暗物资实验CDEX大型液氮恒温器（2020年摄）。新华社发

寰宇，出身于约137亿年前的大爆炸。在出身之初，寰宇处于高温、高密度、均匀的景况，跟着寰宇的彭胀、冷却，原子得以造成，并在引力作用下网络。大爆炸后约1亿年，第一代恒星造成，随之造成的是恒星的网络体——星系。星系通过合并，吸积气体，逐渐成长。秀气的星系寰球就这么从无到有一步步造成。

20世纪30年代以来，一系列天文不雅测透露，以秀气群星为代表的原子物资只占据寰宇物资总量的很少一部分，寰宇中存在多半产生引力却不发光的物资，这么的物资被称作“暗物资”，其总量远远朝上组成可见寰球的物资。

暗物资的存在对寰宇的结构演化和星系造成至关勤勉。在寰宇早期，暗物资网络产生的引力提供了星系造成所需要的引力势阱。如若暗物资不存在，那么咱们所处的星河系就无法造成。因此，自其存在被不雅测详情以来，暗物资一直是天文体最勤勉的盘问对象之一。

暗物资和原子物资不同，它不参与电磁相互作用，不发光，也不会被光照亮。不外，科学家大致基于暗物资引力效应，测绘其在寰宇中的散播，进而探索暗物资是什么。跟着新一代高精度天文不雅测体式参加使用，“隐形”的暗物资正在被更好地“看见”。

看不见摸不着

如何测绘暗物资

寰宇交替的暗物资测绘主要有三类方法。

第一种方法，暗物资存在引力，这会影响天体的通达，而天体的通达不错通过光谱学方法和天体测量学方法“捕捉”。20世纪30年代，天文体家弗里兹·茨威基恰是因为发现了星系团中星系的通达速率太快，需要额外的物资来提供引力箝制，进而强壮到暗物资的存在。面前，对恒星、星团、星际气体云等天体的通达测量，仍然是盘问星河系和隔邻星系内暗物资散播的最主要技能。

第二种方法，是通过引力透镜效应进行暗物资盘问，这亦然应用最为每每的暗物资测绘方法。把柄广义相对论，任何物资王人会有引力效应，大致使其周围的空间蜿蜒。远方星系发出的光，经过蜿蜒的寰宇空间来到地球，不雅测者看到的星系形态与其原来的形态比拟即是误解的。这肖似于透过玻璃透镜不雅察寰球会看到误解的现象，因此称作引力透镜效应。在大多数情况下，这种误解格外轻微，被称作弱引力透镜效应。天文体家通过精准测量目的天区里多半星系的形态，并进行统计分析，不错提真金不怕火由暗物资带来的空间误解信息，进而绘图目的天区中的暗物资密度散播。此外，在配景星系、行动透镜的引力势场中心、不雅测者三者险些连成一线的情况下，不雅测者不雅察到的星系图像会有更激烈的误解，造成爱因斯坦环、巨弧等强引力透镜表象。强引力透镜表象独特适宜盘问寰宇小交替（1000光年—10万光年交替）的暗物资散播。

第三种方法，是利用星系行动示踪物来盘问暗物资在寰宇交替的散播。统共的星系王人造成在被称为“暗晕”的暗物资团块中，并跟着暗晕的质地增长和相互合并演化。如若咱们把星系在数千万光年空间交替上的散播画成一张图，这张图会呈现出蛛网般的形态，被称作“寰宇网”。寰宇网践诺上呈现了暗物资散播的大交替结构。基于寰宇结构演化表面，科学家不错通过统计星系的空间散播、星系与星系之间的位置关联来盘问暗物资的宇不雅散播。

暗物资的“真面庞”是什么

暗物资是一种基本粒子吗？它的静止质地是些许？如何和其他粒子相互作用呢？这些问题，面前还莫得明确的谜底。

如若暗物资是一种粒子，那么它可能会衰变、磨灭，从而可能滚动为可不雅测的光子或其他可探伤的粒子。东说念主类探伤暗物资粒子不错“上天”探索：在天外中，好意思国的费米伽马射线卫星试图不雅测暗物资磨灭产生的伽马光子，中国科学院主执研制的暗物资粒子探伤卫星“悟空”的目的则是不雅测暗物资可能滚动造成的高能电子/正电子；也不错“入地”探寻：在地下实验室，好意思国的暗物资探伤器LUX-ZEPLIN，欧洲的XENONnT实验和中国的“熊猫实验”（PandaX）、暗物资实验状貌（CDEX）等则试图不雅察暗物资与普通物资碰撞产生的辉光。这些不雅测从多方面压缩了暗物资粒子的规避空间，匡助咱们逐渐接近暗物资粒子本体。

比拟于径直探伤暗物资粒子，天文不雅测更热心暗物资的性质。借助寰宇学高精度数值模拟，科学家不错将暗物资粒子的微不雅属性和暗物资在千万光年甚而兆亿光年交替上的物资散播结构配置精准的关联，这就如归拢座建筑，用竹木、砖石建造还是用钢筋建造，将影响到大楼的高度、形态等。反过来，寰宇物资散播的宏不雅结构，也不错用于盘问暗物资粒子的性质。

东说念主类面前关于暗物资的领路，主要来自天文体不雅测。通过寰宇微波配景辐射、寰宇大交替结构等不雅测，科学家详情暗物资的总量是可见物资总量的5倍以上。此外，暗物资粒子的性质必须允许寰宇结构以一种“等第成团”的形式造成——小的结构先于大的结构造成。这示意暗物资可能是一类质地很大的粒子，在寰宇早期具有较小通达速率，合适这么性质的暗物资被称为“冷暗物资”。

现时，天文体前沿不雅测关于暗物资性质的探索，主要集会在两个方面。率先是暗物资粒子的质地，这个问题常被描摹为“暗物资究竟有多冷”。在寰宇中，越“冷”的暗物资，大致造成越多的低质地暗晕。对强引力透镜、星河系星流等表象的不雅测，不错测量到质地格外低的暗晕。另一个方面是暗物资粒子如何和其他粒子以及自己发生相互作用。这不错被形象描摹为“暗物资粒子会不会碰撞”。暗物资粒子的这一性质会影响到暗晕的里面结构，通过强、弱引力透镜和通达学方法精准测量暗晕内的物资散播，将有助于了解暗物资粒子的“碰撞”智商。

咱们离暗物资的谜底还有多远

天文体家现时但愿将不同的不雅测方法联结起来，获取从太阳邻域到百亿光年交替暗物资散播的“详备舆图”以盘问暗物资性质。这需要开展一种被称作“巡天”的普查式不雅测，用于系统、均匀地获取在渊博寰宇空间中的天体图像、光谱信息，并从中提真金不怕火星系能源学、引力透镜等信息，进而测绘暗物资散播。新一代空间天文旗舰级状貌，包括欧洲航天局辐照的欧几里得千里镜、我国的巡天际间千里镜和好意思国的罗曼空间千里镜，王人将在天外开展高精度巡天不雅测。其中，我国将要辐照的巡天际间千里镜搭载了大视场巡天相机和多台天文精测探伤器，有望在暗物资测绘和暗物资性质盘问领域取得发达。

巡天际间千里镜的口径和哈勃千里镜相称，但一次可不雅测的天际范围远超好意思国辐照的哈勃千里镜和韦布千里镜，独特适宜开展对寰宇的图像和光谱普查责任。如若说哈勃千里镜是长焦镜头，不错拍摄到远山上一头奶牛的显豁图像，巡天际间千里镜就好比广角镜头，不错一次性拍摄统共这个词山上牛群的图像，何况其中任何一头牛的状貌王人十分显豁。

除了巡天千里镜，我国还建成了一系列适宜开展暗物资盘问的大地千里镜，比如郭守敬千里镜，这是测量星河系内暗物资散播的勤勉体式；“中国天眼”500米口径球面射电千里镜（FAST），可提供隔邻寰宇氢原子云的散播信息，这些氢原子云也不错行动暗物资的示踪体来搜索低质地的暗晕。此外，我国参与的大型国外融合状貌“平方公里阵列”将在射电波段通达一扇测绘暗物资的“窗户”。

跟着新一代海量天文数据的取得，在将来的10—20年，暗物资的天文体测绘有望进入一个黄金时辰。现阶段咱们所作念的发奋也许并不是为了未来或后天，而是为了更远方的将来，咱们期待大致真是长入暗物资寰球。

在地下2400米

“倾听”暗物资

敷陈东说念主：代文翰

（中国暗物资实验状貌融合组成员）

清华大学盘问东说念主员正在不雅察大型低温液氮屏蔽安装的液氮灌输情况。受访者供图

在位于四川省凉山彝族自治州的中国锦屏地下实验室和极深地下极低辐射本底前沿物理实验体式（以下简称“锦屏大体式”）内，咱们正以私有形式管待新春。

咱们礼聘在深地“仰望星空”，是因为这里能提供辐射更低的环境。暗物资探伤，信号弱、难度大，咱们需要一个极为闲散的气象，一个“地底音乐厅”，来倾听寰宇里最巧妙的音乐。

在锦屏大体式三大极深地下极低辐射本底屏蔽平台之一的大型低温液氮屏蔽安装，咱们正在进行液氮灌输。

天然2400米厚的岩石能相悖大部分寰宇射线，使实验室里面的寰宇线通量缩小8个数目级，唯一大地的一亿分之一，然而环境中仍有部分辐射存在。咱们把高纯锗探伤器放在液氮罐中间，液氮既相称于一层屏蔽体，能招揽、慢化中子，相悖伽马射线等对探伤器的烦闷，同期又能为探伤器提供近零下200摄氏度的低温，匡助探伤器更好地责任。

面前安装内液氮液位已达到1米，灌输完成后，安装将容纳1725立方米（约等于一个交替拍浮池体积）的液氮，为我国新一代暗物资径直探伤、无中微子双β衰变实验提供探伤器低温责任环境和辐射屏蔽系统。

与液氮灌输同步，由清华大学牵头的中国暗物资实验（CDEX）正在进行下一代高纯锗阵列暗物资径直探伤实验CDEX—50的竖立，面前正在开展高纯锗探伤器的测试责任。比拟于上一代CDEX—10实验，CDEX—50的液氮屏蔽从约1立方米进步到1725立方米，探伤器总质地从10公斤进步到50公斤，预期暗物资探伤贤慧度将提高2个数目级。

同期，在锦屏大体式另一极深地下极低辐射本底屏蔽平台——寰球最大的聚乙烯屏蔽舱中，正在竖立16套超低本底伽马谱仪，可对材料中的微量放射性进行高贤慧度的检测，将来将开展限制更大的种种低本底盘问。

报说念开头：《东说念主民日报》2025.1.25 第6版

作家李然为北京师范大学教师、巡天千里镜科学责任长入中心科学数据背负科学家云开体育