暗物质与暗能量研究进展

柴铮

【摘 要】21世纪来自物理学和天文学的重大挑战之一是暗物质和暗能量。文章首先就暗物质和暗能量的概念和发现历史进行了简述，接着较详细地介绍了国际及国内暗物质和暗能量的研究动态，最后展望了我国暗物质和暗能量研究前景。

【关键词】暗物质；暗能量；研究进展

【Abstract】In the 21st century from the physics and astronomy is one of the major challenges of dark matter and dark energy .This thesis tells the concept and discovery history of dark matter and dark energy briefly.Then it introducts the international and domestic research trends of dark matter and dark energy detailly.At last，it outlooks our countrys research prospect of dark matter and dark energy.

【Key words】Dark matter；Dark energy；Research progress

我们知道原子组成物质，质子、中子、电子等粒子组成原子。但是，20世纪末的天文观测发现普通物质只占宇宙的4%，而暗物质占23%，暗能量占73%。李政道教授指出：“暗物质是笼罩20世纪末和21世纪初现代物理学的最大乌云，它将预示着物理学的又一次革命。”研究它们将会在物理学和天文学史上诞生出新的重大发现，并对未来的科学发展产生不可预估的重要作用。

1 什么是暗物质、暗能量

1.1 什么是暗物质

暗物质（Dark Matter）是一种因存在现有理论无法解释的现象而假想出的物质，它小于电子和光子，不带电荷，与电子不发生干扰，对电磁波和引力场均能穿越，是组成宇宙的重要部分。

1.2 什么是暗能量

暗能量（Dark Energy）是假想的一种能量形式，它充溢在广阔的宇宙空间，以一种负压力为表现，在推动宇宙运动中起巨大作用。

2 暗物质、暗能量的发现历史

2.1 暗物质的发现历史

1933年弗里茨.兹威基（Fritz Zwicky）发现按照星系的径向运动速度推断出的星系团质量和按照星系团中发光星体推断出的质量相差了近400倍。因此，他推测星系团可能主要由不发光的物质构成，并首次提出暗物质的概念[1]。

20世纪70年代，美国天文学家薇拉.鲁宾（Vera Rubin）通过对大量星系旋转曲线的研究证实宇宙中确实存在大量暗物质。

20世纪80年代，科学家正式提出了“暗物质”这个名称并被广为接受。

2.2 暗能量的发现历史

按照宇宙大爆炸理论，发生大爆炸后，宇宙的膨胀速度会因为时间的流逝逐渐减慢。但1998年，美国加州大学物理学伯克利国家实验室（LBNL）及澳大利亚国立大学的科学家们发现，宇宙正在加速膨胀，并不是以前科学家预测的减速膨胀。

Ia型超新星观测是宇宙中存在暗能量的最直接观测证据。1998 年两个Ia 型超新星（SN）小组发现了宇宙在加速膨胀，由此揭示了暗能量的存在，这一成果被美国《科学》杂志选为当年的世界十大科技进展之首。之后暗能量一直为物理学界和天文学界关注的焦点。暗能量的基本特征是具有负压，在宇宙空间中（几乎）均匀分布且不结团[2]。

3 暗物质、暗能量的研究动态

3.1 国际暗物质、暗能量的研究动态

20世纪70年代以来，通过对大型天体间尤其是星系间的引力观测研究，科学家们发现，普通物质不会引起这么大的引力，因此宇宙存在暗物质的理论被广泛认同。

发现暗物质存在的直接证据是在2006年。美国天文学家在对星系团1E 0657-56进行观测时意外观测到在星系团猛烈碰撞的过程中，黑暗物质与正常物质分开，由此获得暗物质存在的直接证据。

2007年1月，暗物质分布图诞生。

2007年，美国暗物质研究评估小组成立，该小组由美国国家航空航天局（NASA）、自然科学基金会（NSF）、美国能源部（DOE）联合组成，在其发布的报告中指出，破解宇宙暗物质谜团具有极其重要的科学意义，并希望美国加大在暗物质研究方面的投入，保持世界领先地位。

2007年5月16日出版的《天体物理学杂志》称，约翰斯·霍普金斯大学天文学家小组利用哈勃太空望远镜，探测到了位于遥远星系团中呈环状分布的暗物质[3]，成为最强有力的能证明暗物质存在的证据。

2007年，日本成立了科维理宇宙物理与数学研究所（简称“Kavli IPMU”），暗物质与暗能量是其研究的重要课题。并为其昴星团望远镜（Subaru）升级HSC数字照相机，成立了PFS合作组，以进行高精度的深空观测，从而探索暗能量更多的细节。

2008年9月，吨量级的暗物质直接探测实验被列为欧洲天体粒子物理联盟（APPEC）规划的7个天体粒子物理项目规划之首。

2009年12月，迄今为止最有力的发现暗物质的证据在Souden煤矿中被科学家发现。

美国国家科学院在2012至2021天文及天体物理十年规划中，将暗物质与暗能量的探测列为主要的研究方向。

美国自20世纪80年代以来通过宇宙背景探测者卫星（COBE卫星），威尔金森微波各向异性探测器（WMAP卫星）先后对宇宙微波背景辐射进行观测，从而发现了暗能量的存在。斯隆数字巡天（SDSS），暗能量巡天（DES）自21世纪开始通过对超新星和弱引力透镜的观测，尝试获得更多关于暗能量的信息。暗能量谱仪装置（DESI）、广域红外巡天望远镜（WFIRST）、大型综合巡天望远镜（LSST）等期望在建成后能对暗能量进行精密的测量。

2013年4月4日，在日内瓦欧洲核子中心诺贝尔物理奖获得者丁肇中教授首次公布其领导的阿尔法磁谱仪（AMS）项目的第一个实验结果——已发现的40万个正电子可能来自一个共同之源，即脉冲星或人们一直寻找的暗物质。

2014年9月18日，在瑞士日内瓦举行的程林教授团队与丁肇中合作的AMS项目重大成果发布会上，最新研究成果“宇宙射线中过量的正电子可能来自暗物质”得以公布，并在6个能证明暗物质存在的有关特征中确认了5个。

国外诸多探测暗物质、暗能量的实验（包括地面和空间）正在筹建或已投入运行，其中暗物质地下探测实验室多达20个；空间实验包括高能γ射线实验望远镜（EGRET）、意大利负载反物质探索和光核天体物理学卫星（PAMELA）、费米卫星和普朗克巡天者（Planck卫星）及卫星导航警戒卫星（SNAP卫星）、观测带电粒子的哈勃望远镜（AMS02）、大口径综合巡天望远镜（LSST）等；正在运行的大型强子对撞机（LHC）也将有力地推动暗物质的探测[4]。

3.2 国内暗物质、暗能量的研究动态

我国对暗物质和暗能量的研究非常重视。国务院在2006年制定的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》里面定义了8个基础研究前沿领域，“暗物质和暗能量的本质”是“物质深层次结构和宇宙大尺度物理学规律”领域内的主要研究方向之一。

2008年，由中科院牵头，中国科学家团队制订了一个“上天入地到南极”的暗物质和暗能量探测的发展路线图，其中“上天”指暗物质探测卫星，“入地”指四川锦屏地下暗物质探测，“到南极”指在南极昆仑站建设大型天文望远镜来探测。这些项目得到了积极的推进，并取得了丰富的成果。

国家“973计划”项目之“暗物质、暗能量的理论研究与实验预研”于2010年正式启动。项目首席科学家吴岳良院士将研究目标进一步凝练为“两暗一新”，即通过对暗物质和暗能量的深入研究，探索微观和宇观世界的新现象、发现新规律、提出新理论[5]。

最引人注目的实验进展来自于锦屏地下实验室的暗物质直接探测项目中国暗物质实验（CDEX）和粒子物理和天体物理氙探测器（PandaX）。2013年，CDEX发表了首批低质量区域暗物质直接探测结果，这也是中国在暗物质直接探测方面从无到有的一个突破进展[6]。

由中科院紫金山天文台、中科大合作研发的暗物质粒子探测器（DAMPE）于2015年年底发射，通过探测来自宇宙空间的高能伽马光子、电子以及质子，间接观测宇宙空间中的暗物质。基于未来的中国空间站的高能宇宙辐射探测装置（HERD）也处于积极的研发中，并取得了相当的进展[7]。

在暗能量研究方面，中国目前最大的光学望远镜LAMOST（又称郭守敬望远镜）开始了银河系内观测，但是由于所处地理位置的关系，实现大范围巡天还有困难。观测中性氢产生的21厘米辐射的“宇宙第一缕曙光”项目（21CMA）在进行中。在新疆红柳峡地区开展21厘米天文学（天籁计划）还在进行原理验证。空间站大规模光学巡天项目完成了前期的论证工作，目前正在解决巡天相机所需要的关键技术。

此外，国内的研究单位在暗能量研究方向参与了广泛的国际合作。中国科学院国家天文台等单位参与了SDSS四期、重子振荡光谱巡天（BOSS）、扩展重子振荡光谱巡天（eBOSS）、CFHTLenS弱引力透镜巡天实验等国际合作项目，力图通过天文观测手段对暗能量的物理性质进行限制[8]。

4 我国暗物质和暗能量研究展望

在过去的几年里，我国在暗物质的直接和间接探测研究方面已经赶上世界的步伐，暗能量的追赶却才刚刚开始。

暗物质直接探测实验方面要利用好锦屏地下实验室二期，将相应的研究深入推进。暗物质间接探测实验方面要利用发射暗物质探测卫星DAMPE、AMS项目、紫金山天文台、西藏羊八井宇宙线地面观测站等研究，预期会对暗物质的研究做出有意义的贡献。暗能量研究方面有望利用空间站、观测站实施巡天项目以取得暗能量的突破性研究。

总之，今后的10-20年将是暗物质与暗能量探测研究的关键时期，我国科学家应该有所作为，积极开展先进探测技术的研发，在暗物质、暗能量探测技术水平方面取得突破性重大成果，做出引领世界的贡献。

【参考文献】

[1]ZwickyF.Spectraldisplacementofextragalacticnebulae.Helv. Phys.Acta，1933，6，110.

[2]张新民，陈学雷.暗物质、暗能量研究进展及中国的机遇[J].中国科学院院刊，2015，26（5）：500.

[3]科学家首次发现有暗物质存在的直接证据.腾讯网.2007-05-17[引用日期2015-02-6].

[4]蔡荣根，周宇峰.暗物质与暗能量研究新进展[J].中国基础科学，2010，12（3）：3-9.

[5]蔡荣根，周宇峰.暗物质与暗能量研究新进展[J].中国基础科学，2010，12（3）：3-9.

[6]季向东，张新民，谌勋.中国暗物质与暗能量研究展望[J].科学通报，2016，61（11）：1181-1187.

[7]季向东，张新民，谌勋.中国暗物质与暗能量研究展望[J].科学通报，2016，61（11）：1181-1187.

[8]季向东，张新民，谌勋.中国暗物质与暗能量研究展望[J].科学通报，2016，61（11）：1181-1187.

[责任编辑：朱丽娜]