暗物质与人类

世界上最深的地下实验室是中国锦屏(CJPL)地下实验室，垂直岩石覆盖厚度达到2400m，可以开车直接进入，交通便捷，综合条件世界一流。可是地下实验室造价昂贵，那它的存在意义是什么呢？它是为了开展暗物质探测实验研究及其它低本底实验奠定了良好基础，将极大推动粒子物理学、天体物理学、宇宙学等相关领域重大基础前沿课题的开展。

图1. 全球地下实验室的分布  图来源于中科院地质所

暗物质（Dark matter）是理论上提出的可能存在于宇宙中的一种不可见的物质，它可能是宇宙物质的主要组成部分，但又不属于构成可见天体的任何一种已知的物质。既然看不见也摸不着，那科学家是怎么发现暗物质的呢？这主要是从大量的天文学观测结果推测出来的，天文学家在天文学观测中发现很多违反万有引力的现象，但是当引入暗物质时，这种现象就完全能解释得通了。

图2. 天文学观测到违反万有引力定律的现象

暗物质的研究历程

1922年．天文学家Jacobus Kapteyn根据天体的运动推断出星体周围可能存在暗物质；随后1933年，天体物理学家Fritz Zwicky利用位力定理发现星系团中星系的速度弥散度太高，仅靠星系团中可见星系的质量产生的引力是无法将其束缚在星系团内的，因此星系团中应该存在大量的暗物质；1939年，天文学家Horace W. Babcock通过研究仙女座大星云的光谱研究，显示星系外围的区域中星体的旋转运动速度远比通过开普勒定律预期的要大，这暗示着该星系中可能存在大量的暗物质。1959年F. D. Kahn和L. Woltjer研究了彼此吸引的仙女座大星云和银河系之间的相对运动，通过相互它们靠近的速度和彼此间的距离，推论出我们人类所处的本星系团中的暗物质比可见物质的质量约大十倍；1980年代，出现了一大批支持暗物质存在的新观测数据，包括观测背景星系团时的引力透镜效应，星系和星团中炽热气体的温度分布，以及宇宙微波背景辐射的各向异性等。暗物质存在这一理论已逐渐被天文学和宇宙学界广泛认可。

图3. 理论值和观测值偏差大  来源于中科院物理所电子期刊

我国的研究进展

2009年，清华大学与雅砻江流域水电开发有限公司在锦屏山隧道中间位置的地下2400米处修建极深地下实验室，并于2010年底建成投入使用；到2019年7月20日，由国家发展改革委牵头建设管理，该项目正式启动。自一期建成投入使用以来，该实验室已开展了清华大学、上海交通大学各自主导的暗物质直接探测实验，取得了一系列研究成果，在较短的时间内使我国暗物质直接探测实验从无到有，研究水平达到国际先进，由“跟跑”变成“并跑”。与国际上其他的地下实验室相比，中国锦屏地下实验室岩石覆盖最深、宇宙线通量最小、可用空间最大。

暗物质的性质

由普朗克卫星探测的数据得到：整个宇宙的构成中，常规物质（即重子物质）占4.9%，而暗物质则占26.8%，还有68.3%是暗能量（质能等价）。暗物质的存在可以解决大爆炸理论中的不自洽性（inconsistency），对结构形成也非常关键。暗物质很有可能是一种（或几种）粒子物理标准模型以外的新粒子所构成（1）。暗物质参与引力相互作用，所以应该是有质量的、高度稳定的、在宇宙年龄（百亿年）时间尺度上是稳定的、不参与电磁相互作用、也不参与强相互作用，最后，暗物质的运动速度应该是远低于光速，即“冷暗物质”，否则我们的宇宙无法在引力作用下形成观测到的大尺度结构。

暗物质与人类

暗物质是宇宙中最多的物质，可是它和我的生活有什么关系呢？实际上，暗物质极有可能关系到人类最关心的两个问题：人类的起源和人类的结局。也就是说，今天银河系的诞生、成长过程都受到暗物质的影响。天体物理学家们已经用数值模拟的方法研究了在没有暗物质存在的宇宙中，自引力系统的形成将非常困难，这种情况下，也许银河系尺度的星系会非常难以形成，这就极大地降低了宜居星系的数目，从而使类太阳系系统的形成概率大大降低。