暗物质看不见也摸不着，我们怎么知道它藏在哪里？｜科学讲坛——李然

我们研发了一款望远镜，

它的主镜口径是2米，

整体大小跟一辆公交车差不多。

李然 ·CSST科学工作联合中心 中国科学院国家天文台研究员

格致论道109期 | 2024年1月27日 北京

大家好，我叫李然，来自中国科学院国家天文台。在天文台，我的工作是研究暗物质，用各种方法来测量宇宙中暗物质的分布。

而我的另一个工作是参与中国空间站工程将要发射的旗舰级望远镜——巡天空间望远镜的研发。所以接下来，我很高兴和大家一起探讨巡天望远镜在研究暗物质宇宙、测绘暗物质宇宙地图方面将做出怎样的工作。

夜幕降临，我们观察夜空，能看到无数繁星。除了一些行星之外，几乎所有我们看到的天体都是银河系里的恒星。如果我们想要观察到更远的星空，看到银河系之外，看到更暗弱的天体，天文学家必须要使用天文望远镜。

下图是天文学家迄今获得的宇宙最深处的图片之一，它是由哈勃望远镜超深场观测拍摄的。哈勃望远镜对着天空中一块看上去几乎什么都没有的地方，曝光了100多个小时以后，这块看上去空无一物的空间出现了上万个星系，非常璀璨，像一个宝石箱一样。

那么这块天空有多大呢？伸出我们的手，竖起拇指，拇指指甲盖遮蔽的天空的1%，就是这张图片的大小。

想象一下，我们指甲盖遮蔽的1%的天空中，就有上万个星系。这些星系有很多都跟银河一样，是含有上百亿颗甚至上千亿颗恒星的构成的巨大系统。所以这张图片告诉我们，我们的宇宙是多么的浩瀚，多么的深邃。

但有趣的是，即便我们看到了这些星系，甚至把全宇宙中这样的星系都拍摄下来，也不过是了解了宇宙的一小部分。

宇宙中看不见也摸不着的东西

上世纪30年代，就有一位老先生告诉我们说：如果你只看能看见的东西，你实际上对宇宙还什么都不知道。

这位老先生就是图中的这位，他的名字叫做弗里兹·茨维基，是美国的天文学家，当时在加州理工大学工作。

他研究了距离银河系最近的一个星系团，看这个星系团里星系的运动速度是多快。结果发现，这里边每个星系运动都太快了，快到把所有的星系团里边看得见的物质产生的引力加在一起，都不足以束缚这些星系。

问题来了，为什么这些星系不散掉呢？为什么这个星系团可以保持在这？茨维基说，这里边一定有看不见的物质可以去束缚这些星系，这个物质的含量至少应该是可见物质的5倍以上。他给这些物质起了个名字，就叫做暗物质。

一个东西，它如果只是看不见的话，其实没有什么奇怪的。我们在夜晚把室内的灯都关掉，马上就什么都看不见了，但是我们伸出手去，还能摸到这些东西。而暗物质非常有趣的地方在于，它不仅看不见，而且它还摸不着。

我们用这样一张图片来做一个说明。这是宇宙里面两个碰撞的星系团，它们碰撞已经结束了，彼此对穿而过。我们可以看到这两个圈里有很多星系，但好像看不出来它们有什么碰撞的痕迹。这是因为星系和星系之间实际上是相当空阔的，当两个星系团碰撞的时候，其中的星系不太会碰到彼此。

但是如果我们去观察这个星系团里的热气体，就会发现非常明确的碰撞痕迹了。

一个星系团里边的热气体穿过另一团的时候，可以发现两团气体明显发生了相互挤压，而且有一团的前端已经变成了子弹的形状。

那在这两个星系团里边，茨维基所说的那些暗物质在什么地方呢？那就是下图中蓝色的这两团。但我们发现，在这两团蓝色中看不到碰撞的感觉，它们好像感觉不到彼此，在碰撞完以后就对穿而过了。

我们把红色的热气体放过来再看一看，这就更明确了。当两个星系团碰撞结束以后，星系团中包含的这些热气体因为彼此的压力，放慢了前进的脚步。而暗物质就好像“幽灵”一样对穿，感觉不到彼此的存在。

热气体是什么呢？热气体是构成我们这个世界的普通的原子物质。暗物质不和这些东西发生相互的作用，它们自己也不和自己发生相互作用，这说明它很可能是一种我们所不知道的粒子。这样的东西是什么？这是今天的天文学中最重要的问题之一。

你可能会说了，既然这个东西看不见又摸不着，那刚才星系团里边的那两坨蓝的东西我们是怎么看到的呢？

把引力当做透镜

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这就要通过一种方法，叫做引力透镜。虽然我们看不见它，也摸不着它，但是暗物质依然有引力效应，它会对周围其他有质量的东西产生吸引。

更重要的是，根据广义相对论，一团物质存在于空间中，它一定会使周围的空间发生弯曲。

假如我们的宇宙中有一团物质让周围的空间发生弯曲了，我们透过这个弯曲的空间去观察遥远的宇宙，会发生什么情况呢？

遥远宇宙中的星光在经过弯曲的空间以后，它的路线就会弯折。地球上的观测者就会觉得他看到的东西也许在这个方向，但实际上，这个天体可能在另一个方向。这样的现象就被称作“引力透镜”。

我们再进一步，想象遥远的宇宙中有一个天体，在这个天体和我们观测者之间有一团物质。这个天体发出来的光就会因为空间的扭曲进入到观测者的眼中，而这个路径可以是从四面八方过来的。所以从地球上的观测者看来，远处的那个天体它就不再是一个正常的天体了，它变成了一个光环，即“爱因斯坦环”。

这个东西是不是真的能在宇宙中找到呢？还真能找到。下图还是哈勃望远镜拍摄的一张照片。我们可以看到这张图片右下角，有蓝色的像戒指一样非常漂亮的图像，这就是我们说的爱因斯坦环。这个蓝色的环中间有一个橘黄色的东西，它是一个星系，这个星系的质量很大，所以使它后方的星系弯曲了，于是变成了一个环。

通过测量这个环的大小，我们就能够知道在宇宙的这个方向包含有多少物质。我们减掉这个方向的星系物质的量，就得到了在这个方向的暗物质的量。通过这样的方法，就可以去测量宇宙中的暗物质。

有时候，我们在星系团中也可以看到引力透镜效应。下图是一个星系团，我们可以看到其中有一个非常长的像长蛇一样的星系。这个星系实际上在更遥远的天空，但是它的光被前方星系团强大的引力场扭曲了。所以我们看到它的时候，它就变成了长蛇的样子。

不过你可能会想，这种长蛇状的奇怪天体，它并不是在天空中处处都有。如果我想要整体上去研究宇宙中的暗物质在什么地方，应该怎么办？

我们需要依靠一种非常微弱的效应，叫弱引力透镜效应。

实际上，宇宙中有的地方虽然看着很空旷，但也是有物质和暗物质的。这就是说，不管我们向什么方向去观察遥远宇宙中的天体，天体的形状都有一点微微的扭曲。

但是，观察单个天体不能够让我们探察到这种扭曲。就像下图显示的，这种扭曲大多数时候只是使得星系的形状变得椭一点，使得本来随机排布、指向没有关联的星系变得相互有关联了。所以你必须要在一个小的天区里边找到所有的星系，精确地测量它们的形状，再把它们的形状去做一个平均。那么残余的形状，或者说星系残余的椭圆程度，就反映了在这块天空中有多强的引力透镜效应。

▲左：弱引力透镜

所以如下图所示，我在一块天空中测量星系的形状，然后可以把每一个地方星系形状的净余椭率测量出来，再利用引力透镜的理论，我们就获得了这块天空中的暗物质分布。黄色的地方显示的就是暗物质富集的区域，而暗色的地方就是比较空旷的宇宙空间。

▲ 左：小区域的星系形状

中：一块天区的净余椭率地图

右：暗物质地图

和哈勃一样精准，但看得更广的望远镜

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有了方法，我们需要什么样的望远镜去观察宇宙呢？

我们希望它最好是在大气之外，不受到大气的影响；它最好能看得很深，能够在一个小的天区里面就看到很多的星系。也就是说，我们希望这个望远镜有和哈勃望远镜同样好的图像质量。

同时我们也知道，哈勃望远镜所拍照的天区太小了，所以我们需要这个望远镜能够更加有效率地均匀覆盖广阔的夜空。这就是中国空间站巡天望远镜的设计理念。

中国载人航天工程正在建造一款望远镜，它的主镜口径2米，整体大小跟一辆公交车差不多。

它并不是连接在空间站上的，这是因为空间站本身有震动，而且有光污染，会影响到天文观测。但是它跟空间站在同一轨道飞行，可以对接到空间站进行维修升级，甚至更换设施。

它的设计寿命是10年，在这10年里边，它会进行60万次曝光，主要用的就是下图中的这个仪器——巡天相机。

我们看巡天相机，它上面被分成一块一块的，实际上每一块都是一个探测器。每一块探测器都有8000万的像素。如果我们把所有的像素加起来，再加上它旁边的一些小的探测器，那么这一台相机每一次拍摄就能获得25亿像素的数据。

探测器上面每个区有不同的颜色，因为每一个探测器上覆盖着不同颜色的滤光片，让这个探测器就专在这个颜色或者说在这个波段去观察我们的宇宙。当我们把所有波段的信息都结合到一起，就得到了一个彩色的宇宙天空。

每一次拍照，巡天望远镜都可以覆盖1.1个平方度的视场，视场就是它能够观察到的天空面积的大小。这个大小是什么概念呢？大概是哈勃望远镜单次观测的300倍，这就是为什么它可以观测我们的整个夜空。

在它10年的设计寿命里边，将观察17500平方度的天空。整个天空的面积是4万平方度，也就是说，巡天望远镜将能看到超过1/3的天空，收集到20亿个星系的观测数据以及图像，另外还有一部分星系我们将看到它的光谱。

这些星系被拍摄以后，会传输到地球上的计算机集群中，形成一个在计算机中的数字宇宙。天文学家不用申请望远镜来观测，就可以在这个数字的宇宙中去探索课题，开展研究。

而这些数据能做到的最重要的工作之一，就是能够将我们夜空中的暗物质地图测绘出来。

追寻暗物质和宇宙的本质

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拿到暗物质地图有什么用呢？它帮助我们追寻暗物质的本质。

我曾经和一位学建筑的朋友走在繁华的大街上。他非常熟练地告诉我，这个建筑是钢混结构的；那个楼很高，它一定是个纯钢结构的；这个房子比较矮，它是砖结构的。为什么他知道这些事情呢？因为材料的微观性质可以决定建筑宏观结构。宇宙也是一样，暗物质粒子非常非常的小，但是它的性质可以决定宇宙物质在十万光年、百万光年尺度上的结构。

下图左侧展示了3种不同的暗物质模型。将这3种暗物质粒子性质放到计算机中，计算机就可以帮我们模拟出来不同暗物质情况下构造出来的宇宙是什么样子的。

我们可以看到它们是非常不一样的，有的暗物质模型它所产生的宇宙非常的平滑，有的暗物质模型产生的宇宙上面有很多小的团块。所以精确测量宇宙的暗物质分布，会帮助我们理解暗物质到底是什么？

我们再进一步去想，既然我们的宇宙里边80%以上的实物组分都是暗物质，那么宇宙的结构演化实际上是由暗物质主导的。

我们生活在地球，地球在太阳系里，太阳系在银河系中只是上千亿颗恒星中很普通的一颗，而银河系在星系世界里面也是很普通的一个星系。这样的一个星系世界，它是怎么来的？它并不是在宇宙开始的时候就有的，而是从无到有演化来的。但它的含量只是暗物质含量的一小部分，就意味着星系世界一定是在暗物质世界演化的背景中演化的。

事实上，在宇宙的早期，普通原子物质气体在暗晕的中心冷却凝聚坍缩，点亮恒星，形成星系，之后和着暗晕一起演化合并，才形成了今天我们这样一个星系世界。

巡天望远镜将观察到的这20亿个星系，以及通过测量这些星系得到的百亿光年尺度的暗物质分布，就将帮助我们回答这个有趣的问题：到底我们这个可见的世界是怎么演化而来的？

在巡天望远镜的时代，望远镜并不仅仅属于天文学家。因为它所有的图像、数据都会传入到地面计算机中。每一个对天文学感兴趣、对宇宙感兴趣的公众都可以进入到中国巡天空间望远镜（CSST）的网站，自己去观察这些美丽星空的图像。

并且空间站巡天望远镜联合中心的科学家和国家天文台的科学家也正在着手建设一些公众科学项目，使得大家能够参与到前沿科学的探索中，让大家跟我们一起去寻找引力透镜，研究暗物质。

巡天望远镜的时代，将不仅仅是天文学的黄金时代，更是一个伟大的科普时代，可以让每一个人都参与到探索宇宙、探索暗物质的有趣的旅程中来。

谢谢大家！

文章转载自"格致论道讲坛"公众号