宇宙侦探故事 | 暗物质神秘“脚印” VS 人类掘地三尺的追踪

上篇文章里我们说到，有一小撮比较另类的科学家们，不愿意假想一种说不清道不明的“暗物质”，而是试图修正牛顿第二运动定律。这一派科学家的人数虽然很少，但在物理学界依然很活跃。这类修正牛顿动力学的理论在解释星系里恒星的运动速度异常这方面干得特别漂亮，但是其他方面都差强人意。不过，几十年来，这个理论并没有完全退出历史舞台。

哪知道，2018 年 3 月的一个消息，估计让支持修正牛顿动力学的人要哭晕在厕所里了。来龙去脉是这样的：

01 致命的打击

天文学家研究了一个不起眼的星系，编号 NGC1052-DF2，后面我们简称 1052 星系。测算下来，这个星系的引力质量和光度学质量大差不差，基本一样多。这意味着什么呢？这意味着，如果按照暗物质理论来解释的话，一句话就可以了，这说明该星系基本不含暗物质。

哈勃太空望远镜拍摄的 NGC 1052-DF2

但是修正牛顿动力学理论就遇到了大麻烦，因为这个理论否定了暗物质的概念，而修改了最基础的牛顿动力学理论，目的是为了解释为什么按照之前的观测结果，所有的星系的动力学质量都要远远大于光度学质量。如果这个理论是对的，那么就不能出现例外。但是，现在偏偏 1052 星系就是首个被天文观测到的例外。可以说，这个理论遭到了致命的打击。

NGC 1052-DF2的位置

相反，1052 这样的星系用暗物质理论非常好解释，这个星系的引力质量和光度学质量大差不差，基本一样多。那就等于说这个星系暗物质基本不存在，所以外围恒星旋转的速度符合现有的物理学法则。这等于是用“不存在证明了自己的存在”。

在历史上，为了解释观测到的自然现象，几乎都会同时出现很多竞争的理论，例如托勒密、第古、哥白尼的天体运行模型，即便到了今天，在科学界依然存在与广义相对论竞争的理论。不过，科学与哲学、艺术、文学等其他学问有一个最大的区别，其他这些学问，往往讲究的是求同存异，百花齐放，没有绝对的正确与错误。但是，科学理论的赢家只能有一个。几乎每一个教科书上的公式都是经过了激烈竞争后的胜出者。

距离星系中心较远的物质的旋转速度预计会比靠近星系中心的物质低

目前看来，暗物质理论更加可靠，能解释的现象也更多。但是，问题仍然困扰着大家，暗物质究竟是什么？理论物理学家们仍然在不断提出模型，修改模型，然后动用计算机去计算。而另一些实验物理学家则把注意力放到了其他地方。

02 怎么“抓到”暗物质？

实验物理学家在思考如何能探测到暗物质粒子。大家或许有疑问，现在连暗物质粒子是什么，有哪些性质都不知道，那么该如何去找呢？似乎一点可靠的线索都没有。

当然，即便是猜想也要有个逻辑的起点。目前科学家们是以 WIMPs 理论为基础的。上次我们讲过，这个理论把暗物质粒子描述成一种具有引力，有弱相互作用的非常重的粒子。科学家们猜测，WIMPs 粒子，自己就是自己的反粒子。假如两个这样的粒子发生碰撞就会发生湮灭现象，那么这也就为我们探测暗物质粒子提供了可能性。

现在探测宇宙里面各种粒子的太空探测器有那么几个，一个是装在国际空间站的 Alpha 磁谱仪，还有一个是帕梅拉探测器。还有费米卫星和我国发射的悟空号探测器。几个探测器的数据都可以相互对照印证。

Alpha 磁谱仪

名气最大的是装在国际空间站上的 Alpha 磁谱仪，领衔担纲的科学家是著名的诺奖得主丁肇中。这个探测器是国际协作的产物，其中高强磁铁是我国提供的。中国的高强磁铁是全世界最好的，F35 战斗机上也在用。

丁肇中在世界科学界的威望极高。本来 NASA 的航天飞机需要全部退役，但是丁肇中的面子大，硬是说服了 NASA 在 2011 年再执行一次航天飞机任务，把 Alpha 磁谱仪送进国际空间站。

年轻时的丁肇中，左一（1976 年诺贝尔物理学奖获得者，祖籍中国山东）

这个探测器无法作为一个独立的卫星运行，因为太阳能电池板供电不够用，只有国际空间站太阳能板面积够大，能提供足够的电力。只有航天飞机有能力把这么重的探测器扛到国际空间站上。没办法，退休前航天飞机只好再加班多飞一趟。

根据理论猜想，暗物质粒子在太空里相互湮灭会释放出反电子和反质子。虽然我们看不到暗物质粒子，但是我们能够看到他们留下的脚印。Alpha 磁谱仪主要关注的是反电子，经过一年多的观测，它收集了 680 多万个电子和反电子，其中反电子有 40 万个，这些粒子的能量都非常大。

国际空间站上的 Alpha 磁谱仪（左上：AMS）

经过和帕梅拉卫星以及费米卫星数据的比对，大家认为，在 10G 电子伏能量段以上的反电子多得不正常，可能是暗物质粒子互相湮灭留下的脚印。统计曲线上明显出现了一个大鼓包。这就是实测数值与理论预期的偏差。

03 悟空号数据的特殊峰值

就在 2017 年年底，我国的悟空号探测卫星的数据也发布了。悟空号的能量探测范围比费米卫星和 Alpha 磁谱仪都要宽得多。在更高的 1.4T 电子伏能量段上，发现了特殊的峰值。这是非常令人惊奇的事情。

悟空号

这么描述大家可能还是不太懂。没关系，我们还是用打比方的方式来讲，比如说小镇里家家户户都是独生子女家庭，周末举办亲子活动，爸爸妈妈带着孩子都在海边沙滩上搞聚会。我们根据人口结构可以预计，成年人的脚印是孩子的两倍。爸爸妈妈带着一个孩子嘛。成年人的脚都差不多大小，孩子的脚印有大有小，应该是平均分布的。从两三岁的孩子到十四、五岁的中学生都有。这就是我们根据已知的情况推断出来的一个预期。

可是我们真的到现场去数一下脚印，发现完全超出了我们的预期。现场出现了一大串巨大的脚印。这种脚印不像是小镇上任何人的。那么只能判断，一定是有一大群大个子来到过现场，脚印就是他们留下的。可是，聚会的现场并没有人看到过有奇怪的人出现。那么我们只能判断，他们是隐身人，也就是说，现场存在一些看不到的大个子隐身人，但是他们留下了自己的脚印。这种大个子的隐身人就好比是暗物质粒子。

按照科学家们一贯的严谨态度，他们表示，多出来的这些高能反电子疑似是来自于暗物质。不过，这种探测方式依然只能算是间接证据。

那么能不能直接抓到这些暗物质粒子呢？毕竟暗物质应该就在我们的身边。办法也是有的。

04 隧道中的奇迹？

在意大利的大萨索山的一个地下隧道里面，有一群科学家正守在探测器的旁边等着暗物质粒子撞上门来，这有点像守株待兔。我国在四川锦屏山的地下隧道里，也有两个大型探测装置在蹲坑守候。

中国锦屏地下实验室位于四川省凉山州锦屏水电站锦屏山隧道中部埋深2400米处

上海交大主导的 PandaX 计划动用了一大罐液态氙，科学家们预测，假如真的有暗物质粒子撞上来，撞到了氙元素的原子核上，就会发出一个闪光，超高灵敏的光电探测器就能探测到这个闪光。隔壁清华大学主导的暗物质探测器则采用了超低温的锗晶体，原理也差不多，都是等着暗物质粒子撞到锗元素的原子核。意大利大萨索山地下隧道里的暗物质探测器用的是碘化钠晶体。

上海交大 PandaX 计划

那为什么探测暗物质粒子要跑到深深的隧道中或者矿井中呢？这是为了屏蔽外界乱七八糟的粒子。因为能穿透上千米厚的岩石来到地下实验室的粒子，也就神秘莫测的暗物质粒子和鬼鬼祟祟的中微子了。所以中微子的实验，多半也是在地下深坑里做的。

意大利国家核物理研究所(INFN)下属的格兰萨索国家实验室

前一阵子意大利人出来一些消息，地下探测器也已经有些眉目了。经过 6 年的数据积累，他们发现探测到的信号与季节有关系。季节变化来自于地球绕着太阳运动。难道太阳系里的暗物质分布是不均匀的？地球转到轨道这一头浓度大一些，转到轨道那一头浓度小一些？可是还是有不少科学家对他们提出了质疑。毕竟这样的关联未免有些牵强了，证据还严重不足。

总之，到现在为止，我们只知道暗物质真的是一种物质，它具有引力作用，可能具有弱相互作用。寻找暗物质就像一次全世界协作的大规模的犯罪现场勘查，每个团队各领取一块区域进行仔细的排查，等到把所有的区域都排查完了，罪犯的蛛丝马迹一定是能被找到的。只是，到现在为止，暗物质仍然是一个世界未解之谜。

不过，我有信心能在有生之年看到谜底。