暗物质探索是宇宙学研究中极为神秘领域,暗物质占全宇宙质能的26%左右,目前科学家对暗物质的探索结果发现天体系统周围“遍布”暗物质,银河系周围存在大量的暗物质团,那么这些物质是由何种粒子构成的呢? 目前的研究发现暗物质只通过引力与周围物质发生相互作用,不参与其他电磁作用,宇宙存在着大量的暗物质,最近有研究显示地球周围或存在一个巨大的暗物质晕,厚度可能接近200公里,另外太阳附近也被认为存在暗物质。银河系周围也存在暗物质,此前有研究对银河系周围大约20个卫星天体集群进行观测,发现它们散布在一个较为完整的平面上,该平面与银盘形成了一个不偏不倚的角度,银河系卫星星系分布不寻常的现象被认为与暗物质有关。银河系中央附近也出现过疑似暗物质粒子的踪迹,美国国家航空航天局的费米空望远镜巡天观测到可能由大质量弱相互作用的粒子碰撞产生的伽玛光子,形成了特殊的“光束”。在一次费米空间望远镜专题讨论会上指出,暗物质粒子可能在130GeV左右,费米空间望远镜升空以来已经被用于多个领域的观测,其中包括对脉冲星和超大质量黑洞的发现任务,探索此类天体与伽玛射线之间的关系以及暗物质粒子的可能踪迹。
目前探索暗物质方法有多种,比如采用惰性液体探测器、低温探测器,进行暗物质搜索实验需要排除其他干扰,由于暗物质粒子与其他粒子之间的相互作用极为微弱,因此意大利大萨索山进行的CRESST II实验就是使用了大山作为屏蔽体,极厚的岩石可稍弱宇宙射线的背景噪声,探测暗物质粒子装置中使用了几十个超低温的钙钨晶体,确切的说是使用了钨酸钙晶体,其高灵敏度可用来探测暗物质,当粒子击中钨酸钙晶体的时候,晶体散发出光脉冲,接着高灵敏度的仪器可测量碰撞过程中产生的能量。此外美国明尼苏达州CoGeNT暗物质探索计划位于700米深的地下实验室,是由一个废旧的矿井改建而成,使用高纯锗作为探测器来观测碰撞产生的信号。位于南达科他州的LUX实验是最灵敏的暗物质探测器之一,但还没有发现暗物质粒子的确凿证据,该实验的核心装置是一个1.8米高的钛容器,内部充满了液态氙气,并冷却到零下101摄氏度,如果弱相互作用重粒子与其他粒子发生作用,探测器就能发现其信号。
暗物质如同一扇“黑暗之门”,我们目前所看到的物质只占宇宙质能的很小一部分,宇宙中几乎被暗能量和暗物质充斥着,科学家已经发现了暗物质对宇宙星系和恒星系统产生的引力效果,弱相互作用重粒子可能就是科学家寻找的暗物质粒子。前不久国际空间站阿尔法磁谱仪(AMS)进行了暗物质探索实验,研究结果依然没有取得较大的进展,科学家认为当前的探测设备可能距离暗物质粒子所需的级别还有一段距离。暗能量可以充当打开虫洞的“钥匙”。爱因斯坦的重力理论或许能为我们解释这种奇特的力量,使我们有机会创造稳定存在的虫洞,从而快速地穿梭于广袤宇宙。但是,人工建造虫洞并不容易,或许需要和外星人沟通。因为他们可以通过引力波,穿越时空给我们传递消息。
宇宙膨胀的速度不断提高。根据先前的理论,存在这么一种名为“暗能量”的神秘力量在驱动这种变化。爱沙尼亚塔尔图大学的曼努埃尔·霍曼一直在研究其他的可能性,他的理论术语叫多参重力(multimetric gravity)。他在自己的理论中,参考粒子物理的基本模型作出了一些改进模型,每个模型之间又有细微的属性差别。在霍曼的模型中,粒子互相作用组成了各种物质。但是这些模型中的粒子只是通过引力互相作用,而不是像暗物质。要知道,看不见的物质被认为弥补约80%的宇宙物质。这种作用方式的区别在于由不同多参物质组成的两种粒子之间,会互相推挤,而不是相互粘连。
曼表示,这个理论也可以用于制造虫洞。大多数制造稳定虫洞的方案都需要用到负能量。但谁也没见过这种所谓的负能量。可是,如果以等量的规则且具排斥性的物质建造虫洞,就有可能取得成功。为了打造出这样的虫洞,不同物质组成的文明需要进行合作,而且只能通过引力波进行交流。霍曼提到:“每个文明都必须掌握操纵太阳系统的技术,以产生这种波。除此以为,还需要一个有效的波动检测器来监听这种通讯。”换言之,别指望最近就能有实际建设性的成果。一般的大规模的星系可以扭曲时空,聚集光线,“放大”它们之后的物体,有点像我们使用的放大镜。而暗物质银河由于排斥的特性,将发散光线,在宇宙虚空中“涂抹”出一道“污点”。未来,天文望远镜或许能观察到这样的“污点”。
法国格勒诺布尔阿尔卑斯大学的里安·巴劳(Aurélien Barrau)认为:“从纯数学角度来看,霍曼的理论很先进,而且相当优雅。但从物理学角度来看,并没有多少说服力。多参重力理论是对广义相对论的过分延伸。”如果这一理论所言非虚,建设这样一个虫洞就需要霍曼所描述的苛刻条件。霍曼本人也承认这一方案存在困难之处,但他更坚信,如果暗物质宇宙存在,我们可以发现并找到它们。 物理学家丁肇中称,尽管这些正电子是否起源于暗物质,以及一些解释并未完全行得通,阿尔法磁谱仪的观测数据显示了“意想不到的新现象”。
虽然暗物质之间很少发生交互作用,但科学家认为暗物质粒子可能彼此发生碰撞,在形成正电子和电子的过程中湮灭,这与阿尔法磁谱仪所观测到的结果一致——40万正电子是暗物质湮灭时产生的。暗物质是遍及宇宙的一种未知物质,它的重量超过普通物质(质子和电子),由于引力牵引存在于每个星系和星系簇,因此天文学家并未鉴别发现暗物质,却能知晓它们的存在。
此前,普朗克望远镜探测到来自银河系中央异常独特的射电辐射信号,科学家们通过使用不同的探测方法来分离信号中不同波长的谱线,我们现在已经能确定这些异常辐射的光谱信息。根据哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所的科学家帕维尔·纳什勒斯基(Pavel Naselsky)介绍:“异常的辐射源来自电子和正电子循环释放的辐射,并围绕这磁场线进行高能循环运动,具有相当强劲的辐射释放,我们推测其可能来自暗物质。” 图中显示的银河系中央的辐射释放分布,由普朗克空间天文台探测。黑色的区域为星系盘的辐射释放,照片中央蓝色、红色和白色区域就是新探测到异常辐射的宇宙空间。玻尔研究所的科学家帕维尔·纳什勒斯基等通过计算发现暗物质可能较重的粒子构成,其重量大约是希格斯子的十倍左右,也就是说暗物质粒子可能比质子重一千倍。但是它们具有飞船独特的属性,并不会与正常的粒子发生相互作用,而且暗物质粒子通常分布零散,彼此之间也不会进行相互影响。
但是科学家们根据普朗克空间望远镜的数据推测银河系中心附近的暗物质粒子浓度非常高,并且存在一个强有力的证据显示银河系中央附近的暗物质粒子发生相互碰撞,并形成了电子和正电子对。这些电子和正电子开始围绕着银河系中央的磁场区域进行旋转,产生极为不寻常的辐射。在此之前,科学家们就已经探测到银河系中央神秘的辐射源,但是由于探测仪器的灵敏度不够,对这些辐射源的判断并不十分清晰。但欧洲空间局的普朗克空间望远镜拥有极为敏感的探测仪器,可“看清”这些奇怪的辐射源。 银河系中央的不寻常辐射并不能通过星系结构演化理论进行解释,也不是超新星爆发时产生的辐射,因此科学家们相信这可能是暗物质显现的证据。