宇宙中的暗物质

乔庆鹏，张向丹

(1.河南教育学院理论物理重点学科组，河南郑州450046;2.新乡学院物理系，河南新乡453003)

1 冷热暗物质

1934年瑞士天文学家弗里兹·兹威基在研究星系团中星系的轨道速度时，为了解释“缺失的物质”问题而提出了暗物质的概念.但当时并没引起太多的关注，直到40年后，人们在研究星系中恒星的运动时遇到类似的困难:人们发现如果仅考虑可见(发光)物体彼此之间的相互吸引力，那么各式各样的发光天体(包括恒星、恒星团、气状星云，或整个星系)运动的速度要比人们预想的快一些.星系的转动曲线测量是一个不错的例子，一个离星系中心半径为r轨道上的天体旋转速度可表示为，这里M(r)是半径为r的球体内所包含物质的总质量.换言之，如果星系的质量主要集中在发光区内的话，则发光区外的轨道上物体的运行速度，也就是说v应该与成反比关系.

但是，旋涡星系转动曲线测量的天文学观测数据却显示，v并不随着r的增大而降低，在人们所能观测到的最大范围之内，v近似于常量.以银河系为例，在太阳系内v≃220 km/s，即使把半径扩大到人们观测到的最大的极限，这个速度的变化也非常小.这说明星系发光区外存在有质量密度为ρ(r)∝1/r2的暗晕，即M(r)∝r.大量星系观测数据表明，转动曲线通常会平坦地延伸到发光区半径外的3～10倍.也就是说，把暗晕物质的贡献考虑在内的话，星系总质量会比只考虑发光物质要增加3～10倍.这表明星系内不发光物质占主要组分，也表明暗物质的质量密度有一个下限:ΩDM≥0.1(对平坦的宇宙来说，Ωtot=Ω0=1).此外，虽然更远处的气体密度稀薄以至于特征谱线不能再被观测到，但是转动曲线平坦延伸的范围或许还会更远，也就是说ΩDM极有可能会更大些.星系中恒星团的观测则给出了一个更大的数值:ΩDM≃0.2～0.3.

2003年，Wilkinson微波背景各向异性探测(WMAP)、Sloan数字巡天(SDSS)和最近的超新星(SN)等天文观测以其对宇宙学参数的精确测量，进一步有力地证实了暗物质的存在.这在人类探索宇宙奥秘和物质基本结构的道路上无疑是一个光辉的成就.最新数据显示，在宇宙能量构成中，暗能量占72%，暗物质占23%，重子类物质只占了5%左右.

在地基实验上，科学家们已做了大量实验来搜寻暗物质粒子.2009年12月，科学家安装在美国明尼苏达州的一个深埋在地下700 m的暗物质探测器——CDMS探测器中探测到了暗物质存在的直接信号.该探测器被岩石、塑料、铅、铜等物质所包围，这样可以把与暗物质相混淆的其他粒子以及宇宙射线排除在外.研究人员已确认有两个信号可能与暗物质有关.这也为暗物质的存在提供了新的实验依据.

图1 美国波士顿Lowell天文台给出的星系转动曲线Fig.1 Galaxy rotating curve givenly Boston Lowell Observatory，USA

暗物质的自然本质目前尚未明朗.宇宙大爆炸理论告诉我们，NB/Nγ的允许范围为10－10～10－9(NB为核子的数密度，Nγ为光子的数密度)，其对应的重子密度Ωbaryon为0.01～0.1(把h0的不确定性也考虑进去，这里h0=0.7±0.1，而哈勃常数的当前值H0=100 h0kms－1Mpc－1).另一方面实验得到的总物质密度ρm≥5×10－27kg m－3，转换下可以得到Ωm≥0.3.因此，仅仅靠重子类型的暗物质是不能解释丢失的全部质量.这说明同时有非重子形式的其他类型的暗物质存在.

暴涨理论预言宇宙密度Ω0=1，密度局域测量给出的宇宙密度Ω0≫0.2，而原初核合成理论得到的ΩB仅在0.04左右.这意味着非重子是暗物质的主要组分.从另外一个角度来看，如果宇宙中只有重子物质，从宇宙结构形成的要求而言是来不及形成如今的大量星系的，这和事实明显不相符.

非重子暗物质概念出现后展现出旺盛的生命力，现在更多的人认为，暗物质主要由“大质量弱相互作用粒子”(WIMP)组成，这种重粒子不发光，并且和常规物质几乎不发生相互作用.研究表明，非重子物质占宇宙总密度的23%左右.

在宇宙演化的初始阶段，不管某种粒子是否稳定，它都有曾经大量存在过的可能性.随着时间的推移，宇宙的温度也在冷却，不稳定粒子通过衰变从宇宙中消失了.但是稳定的(或寿命极长的)粒子，即使失去了热碰撞产生的机会(即退耦)，也仍然会存活到现在.所以从宇宙演化的观点分析，今天宇宙中有残留的WIMP粒子并不意外.

人们把非重子暗物质的候选者分为了两类:热暗物质和冷暗物质.如果某种粒子的质量很轻，譬如中微子，它的静止质量远小于1 MeV，退耦则发生在T=1 MeV前后.因此它退耦的时候是辐射粒子，退耦时留下的粒子数密度也较大.考虑到它在退耦时热运动速度接近光速(即很热)，因此我们把此类退耦温度Tdec≫M的粒子称之为热暗物质.

在热暗物质占主要组分的模型里，热暗物质仅负责形成超团尺度上的暗晕;而后由重子物质在超团形成以后通过逐级碎裂而演变为星系团和星系.宇宙结构的形成是从大到小来完成的.这个模型可以很好地解释大尺度的天体分布，此外它和从天文观测得到的图像也符合得很好，并成功地解释了用局域方法测量总密度时结果小(Ω0=0.2)的现象.

在以热暗物质为主的模型中，由于扰动率开始增长幅度过大，在描述较小尺度上出现了不可避免的缺陷，中、小尺度的演化要落后于实际观测.但如果把中小尺度上的结构演化和实际的宇宙相符合，大尺度那部分又会出现演化程度的明显超前.于是，越来越多的人把视线对准了以冷暗物质为主的模型.

冷暗物质是目前人们研究相对较多的一个模型，它的引入最开始是由于研究宇宙结构形成的需要.冷暗物质指的是M≫Tdec重质量的稳定粒子，它在退耦的时候已是实物形式，热运动速度远小于光速.当宇宙中的温度T高于M时，以辐射组分存在的它大多在退耦前已经和对应的反粒子成对地湮灭了.因此其残留粒子数密度相对较低，这也是冷暗物质的共同特点.

在以冷暗物质为主的模型中，亚星系和星系标度下的小扰动首先增加，物质开始结团.然后中、大尺度上的扰动也随之增强.换言之，星系相互靠近然后形成星系团，星系团进一步结合再形成超团.在冷暗物质模型下，宇宙的形成是从小到大完成的.这和热暗物质正好相反.冷暗物质的概念有助于形成与实际相符合的中小尺度结构.所以它占非重子暗物质中的比例要远多于热暗物质，而后者的贡献基本上可以被忽略.

除了冷热暗物质外，也有可能某种暗物质候选者的质量和其退耦温度接近，这种粒子称之为温暗物质.有人也进行了相关研究，这里就不再详述了.

2 暗物质的探测

暗物质是稳定的，在宇宙演化过程中像微波背景光子一样被遗留了下来.目前世界各国的科学家、多个合作组，正在进行着各种加速器和非加速器实验，试图找到暗物质粒子.

暗物质的探测可以分为如下3种方法.

第一种是在高能对撞机上将暗物质粒子“创造”出来，并研究其物理性质.随着欧洲核子中心的大型强子对撞机(LHC)的投入运行，暗物质的候选者很有希望在继标准模型中的Higgs之后在LHC上产生并被探测到.

第二种方法称为直接探测法.该方法是探测暗物质粒子和探测器中物质的原子核碰撞所产生的信号.目前世界上大约有20家暗物质直接探测的实验，譬如国外的CDMS、XENON以及中国四川锦屏山(CJPL)实验等.

第三种方法是间接探测法.该方法是观测暗物质粒子衰变或相互作用后产生的稳定可见粒子的信号.例如γ射线、中微子、正电子、反质子等信号.国内的西藏羊八井宇宙线实验基地可进行这方面的探测.

图2 中国西藏羊八井宇宙线实验基地Fig.2 Yangbajing cosmic rays experimental base in Tibet，China

3 结论

综合上述，暗物质是当前高能物理和宇宙学研究的前沿和热点.我们在先前的工作中对其进行了相关的研究［1－2］.本文对暗物质的相关特点做了综述性的介绍，以期对相关领域初学者和爱好者提供帮助，更详细的介绍可以参看文献［3］.

［1］ QIAO QINGPENG，XU BIN.Associated production of a photon with dark matter pair at the ILC within the Littlest Higgs Model with T－parity［J］.Commun Theor Phys，2012，58:718－722.

［2］ 乔庆鹏，张向丹，赵先林.初始条件对小Higgs模型下暗物质残留密度影响的研究［J］.河南教育学院学报:自然科学版，2010，19(2):13－15.

［3］ 俞允强.物理宇宙学讲义［M］.北京:北京大学出版社，2002:142.