图①：“悟空”卫星在轨示意图。“悟空”卫星为暗物质直接和间接探测提供了大量线索。
中国科学院紫金山天文台供图
图②：中国500米口径球面射电望远镜（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，通过探测研究中性氢，对于理解暗物质、暗能量属性，解读星系形成和演化过程等具有重要意义。
新华社记者 欧东衢摄
图③：平方公里阵列射电望远镜先导项目MeerKAT射电望远镜，与其观测到的银河系中心的巨大射电频段气泡示意图（合成照片）。
新华社发
图④：位于中国锦屏地下实验室二期的中国暗物质实验CDEX大型液氮恒温器（2020年摄）。
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图①：“悟空”卫星在轨示意图。“悟空”卫星为暗物质直接和间接探测提供了大量线索。
中国科学院紫金山天文台供图
图②：中国500米口径球面射电望远镜（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，通过探测研究中性氢，对于理解暗物质、暗能量属性，解读星系形成和演化过程等具有重要意义。
新华社记者 欧东衢摄
图③：平方公里阵列射电望远镜先导项目MeerKAT射电望远镜，与其观测到的银河系中心的巨大射电频段气泡示意图（合成照片）。
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图④：位于中国锦屏地下实验室二期的中国暗物质实验CDEX大型液氮恒温器（2020年摄）。
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宇宙中存在大量产生引力却不发光的物质，这样的物质被称作“暗物质”，其总量远远超过构成可见世界的物质。
前不久，中国科学院报告研判125个科学研究前沿，轴子暗物质探测位列其中。近年来，科学家运用人工智能、量子技术等探测暗物质，也取得了可喜的进展。
暗物质对宇宙影响深远，那是一种看不见的力量，默默推动着宇宙的演化。探测和研究暗物质，是一个拓展人类认知边界的过程，科学家不断提出新的理论和研究方法，每一次新发现都可能颠覆我们对宇宙的认识。本期“瞰前沿”关注暗物质研究，了解一下那个充满趣味和激情的暗物质世界。
——编者
宇宙，诞生于约137亿年前的大爆炸。在诞生之初，宇宙处于高温、高密度、均匀的状态，随着宇宙的膨胀、冷却，原子得以形成，并在引力作用下聚集。大爆炸后约1亿年，第一代恒星形成，随之形成的是恒星的聚集体——星系。星系通过合并，吸积气体，逐渐成长。璀璨的星系世界就这样从无到有一步步形成。
20世纪30年代以来，一系列天文观测显示，以璀璨群星为代表的原子物质只占据宇宙物质总量的很少一部分，宇宙中存在大量产生引力却不发光的物质，这样的物质被称作“暗物质”，其总量远远超过构成可见世界的物质。
暗物质的存在对宇宙的结构演化和星系形成至关重要。在宇宙早期，暗物质聚集产生的引力提供了星系形成所需要的引力势阱。如果暗物质不存在，那么我们所处的银河系就无法形成。因此，自其存在被观测确定以来，暗物质一直是天文学最重要的研究对象之一。
暗物质和原子物质不同，它不参与电磁相互作用，不发光，也不会被光照亮。不过，科学家能够基于暗物质引力效应，测绘其在宇宙中的分布，进而探索暗物质是什么。随着新一代高精度天文观测设施投入使用，“隐形”的暗物质正在被更好地“看见”。
看不见摸不着，如何测绘暗物质
宇宙尺度的暗物质测绘主要有三类方法。
第一种方法，暗物质存在引力，这会影响天体的运动，而天体的运动可以通过光谱学方法和天体测量学方法“捕捉”。20世纪30年代，天文学家弗里兹·茨威基正是因为发现了星系团中星系的运动速度太快，需要额外的物质来提供引力束缚，进而意识到暗物质的存在。现在，对恒星、星团、星际气体云等天体的运动测量，仍然是研究银河系和近邻星系内暗物质分布的最主要手段。
第二种方法，是通过引力透镜效应进行暗物质研究，这也是应用最为广泛的暗物质测绘方法。根据广义相对论，任何物质都会有引力效应，能够使其周围的空间弯曲。遥远星系发出的光，经过弯曲的宇宙空间来到地球，观测者看到的星系形态与其本来的形态相比就是扭曲的。这类似于透过玻璃透镜观察世界会看到扭曲的景象，因此称作引力透镜效应。在大多数情况下，这种扭曲非常轻微，被称作弱引力透镜效应。天文学家通过精确测量目标天区里大量星系的形态，并进行统计分析，可以提取由暗物质带来的空间扭曲信息，进而绘制目标天区中的暗物质密度分布。此外，在背景星系、作为透镜的引力势场中心、观测者三者几乎连成一线的情况下，观测者观察到的星系图像会有更强烈的扭曲，形成爱因斯坦环、巨弧等强引力透镜现象。强引力透镜现象特别适合研究宇宙小尺度（1000光年—10万光年尺度）的暗物质分布。
第三种方法，是利用星系作为示踪物来研究暗物质在宇宙尺度的分布。所有的星系都形成在被称为“暗晕”的暗物质团块中，并随着暗晕的质量增长和相互合并演化。如果我们把星系在数千万光年空间尺度上的分布画成一张图，这张图会呈现出蛛网般的形态，被称作“宇宙网”。宇宙网实际上呈现了暗物质分布的大尺度结构。基于宇宙结构演化理论，科学家可以通过统计星系的空间分布、星系与星系之间的位置关联来研究暗物质的宇观分布。
暗物质的“真面目”是什么
暗物质是一种基本粒子吗？它的静止质量是多少？如何和其他粒子相互作用呢？这些问题，现在还没有明确的答案。
如果暗物质是一种粒子，那么它可能会衰变、湮灭，从而可能转化为可观测的光子或其他可探测的粒子。人类探测暗物质粒子可以“上天”探索：在太空中，美国的费米伽马射线卫星试图观测暗物质湮灭产生的伽马光子，中国科学院主持研制的暗物质粒子探测卫星“悟空”的目标则是观测暗物质可能转化形成的高能电子/正电子；也可以“入地”探寻：在地下实验室，美国的暗物质探测器LUX-ZEPLIN，欧洲的XENONnT实验和中国的“熊猫实验”（PandaX）、暗物质实验项目（CDEX）等则试图观察暗物质与普通物质碰撞产生的辉光。这些观测从多方面压缩了暗物质粒子的躲藏空间，帮助我们逐渐接近暗物质粒子本质。
相比于直接探测暗物质粒子，天文观测更关注暗物质的性质。借助宇宙学高精度数值模拟，科学家可以将暗物质粒子的微观属性和暗物质在千万光年甚至兆亿光年尺度上的物质分布结构建立精确的联系，这就如同一座建筑，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，宇宙物质分布的宏观结构，也可以用于研究暗物质粒子的性质。
人类目前对于暗物质的认知，主要来自天文学观测。通过宇宙微波背景辐射、宇宙大尺度结构等观测，科学家确定暗物质的总量是可见物质总量的5倍以上。此外，暗物质粒子的性质必须允许宇宙结构以一种“等级成团”的方式形成——小的结构先于大的结构形成。这暗示暗物质可能是一类质量很大的粒子，在宇宙早期具有较小运动速度，符合这样性质的暗物质被称为“冷暗物质”。
当前，天文学前沿观测对于暗物质性质的探索，主要集中在两个方面。首先是暗物质粒子的质量，这个问题常被描述为“暗物质究竟有多冷”。在宇宙中，越“冷”的暗物质，能够形成越多的低质量暗晕。对强引力透镜、银河系星流等现象的观测，可以测量到质量非常低的暗晕。另一个方面是暗物质粒子如何和其他粒子以及自身发生相互作用。这可以被形象描述为“暗物质粒子会不会碰撞”。暗物质粒子的这一性质会影响到暗晕的内部结构，通过强、弱引力透镜和运动学方法精确测量暗晕内的物质分布，将有助于了解暗物质粒子的“碰撞”能力。
我们离暗物质的谜底还有多远
天文学家当前希望将不同的观测方法结合起来，获取从太阳邻域到百亿光年尺度暗物质分布的“详细地图”以研究暗物质性质。这需要开展一种被称作“巡天”的普查式观测，用于系统、均匀地获取在广阔宇宙空间中的天体图像、光谱信息，并从中提取星系动力学、引力透镜等信息，进而测绘暗物质分布。新一代空间天文旗舰级项目，包括欧洲航天局发射的欧几里得望远镜、我国的巡天空间望远镜和美国的罗曼空间望远镜，都将在太空开展高精度巡天观测。其中，我国将要发射的巡天空间望远镜搭载了大视场巡天相机和多台天文精测探测器，有望在暗物质测绘和暗物质性质研究领域取得进展。
巡天空间望远镜的口径和哈勃望远镜相当，但一次可观测的天空范围远超美国发射的哈勃望远镜和韦布望远镜，特别适合开展对宇宙的图像和光谱普查工作。如果说哈勃望远镜是长焦镜头，可以拍摄到远山上一头奶牛的清晰图像，巡天空间望远镜就好比广角镜头，可以一次性拍摄整个山上牛群的图像，并且其中任何一头牛的样子都十分清晰。
除了巡天望远镜，我国还建成了一系列适合开展暗物质研究的地面望远镜，比如郭守敬望远镜，这是测量银河系内暗物质分布的重要设施；“中国天眼”500米口径球面射电望远镜（FAST），可提供近邻宇宙氢原子云的分布信息，这些氢原子云也可以作为暗物质的示踪体来搜索低质量的暗晕。此外，我国参与的大型国际合作项目“平方公里阵列”将在射电波段打开一扇测绘暗物质的“窗户”。
随着新一代海量天文数据的获得，在未来的10—20年，暗物质的天文学测绘有望进入一个黄金时期。现阶段我们所做的努力也许并不是为了明天或后天，而是为了更遥远的未来，我们期待能够真正理解暗物质世界。
（作者为北京师范大学教授、巡天望远镜科学工作联合中心科学数据责任科学家）
《 人民日报 》（ 2025年01月25日 06 版）
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