上周去广州大学参加了全国天文年会。全国天文年会是中国天文学会的年度盛会，全国天文界的同仁可以借此机会进行交流。今年的年会由广州大学樊军辉教授负责组织，注册参加者有四百多人，济济一堂，虽然与美国天文学会年会（一般参加者两千多人左右）或其它一些我国大专业学会的年会（如物理学会、电子学会等）还无法相比，但也已具有相当规模了，可以看出我国天文学近年来发展之迅速。我今年应邀做了一个大会报告，另外我组的博士后王有刚在星系和宇宙分会上做一个报告。
 


我的大会报告题目是《暗物质研究进展》。暗物质自上世纪三十年代 Zwicky 首次发现后，已经过七十多年，至今人们仍然不知其为何物。现在已经知道的是，我们所熟知的普通物质（重子物质）只占宇宙的百分之四或五，而暗物质占了百分之二十左右（其余百分之七十五左右是暗能量），这可以称得上是现代科学中最大的谜之一，自然吸引了世界各国很多天文学家的兴趣。然而在我国，由于历史的原因，研究星系和宇宙学的天文学家相对比例本来就低一些，对暗物质研究熟悉的就更少。因此在我国一段时间内这方面的研究似乎处于非主流的地位。



近年来，情况有所变化，暗物质暗能量的研究已经引起了我国天文界、物理界的广泛兴趣。但是，总的说来大家了解还是比较少，而且也有一些学者可能还存在误解。有一位跟我熟识的天文界同事，就好几次对我说，暗物质研究在过去二十多年里没有什么进展，因此不应该在这一领域投入过多的人力物力。我想，这样坦率公开的质疑和讨论，对于学术研究的健康发展是有益的，我们应该欢迎。但是他这种质疑的产生，也许一定程度上是由于对暗物质研究不够了解。首先，暗物质问题的难解本身正是它的魅力所在，不应该成为我们否定这方面研究的理由。同时，虽然暗物质还未被找到，并不等于在暗物质的研究方面这么多年都没有进展。



从暗物质研究的历史看，上世纪70 年代，通过天文观测发现了大量暗物质存在的证据，从而使暗物质的存在性在国际天文界被普遍接受。80年代，进一步的研究排除了暗物质是普通不发光的重子物质或标准模型中微子的可能性，提出了超对称粒子、轴子等尚未被发现的粒子作为暗物质的候选者。以此为基本假设建立的冷暗物质模型对宇宙中的星系形成和演化给出了很成功的描述和解释。同时，也提出了几种探测暗物质的方案，例如 (1)利用高灵敏度的屏蔽探测器直接探测暗物质；(2)利用高能中微子探测器、伽玛射线望远镜、宇宙线等暗物质湮灭产物间接探测暗物质。90年代以来，上述技术都取得了巨大的进步。目前，暗物质直接探测实验的探测器正由原来的千克级提升到吨级，间接探测的中微子实验也即将进入实用阶段，大型伽玛射线卫星GLAST明年将要发射，可以说暗物质探测实验研究正在进入黄金时代。



与此同时，天文学研究也为我们提供了关于暗物质的许多新的信息。暗能量的发现使得原来冷暗物质模型中的宇宙年龄、物质密度涨落强度等许多疑难得到解决。随着宇宙微波背景辐射、大尺度结构等观测能力的大幅度提高，宇宙学进入了精密定量研究的时代，为宇宙和星系的演化研究提供了一个非常好理论框架。另一方面，随着数值模拟技术的进展，也出现了所谓小尺度危机：(1) 模拟发现暗物质晕的密度分布在中心有尖峰，这与观测到的一些星系中心有近似常密度核的现象不合；（２）本星系群中应该有成百上千的卫星，然而90年代末实际仅发现十几个卫星星系。这两个问题对现在已成为标准的冷暗物质模型提出了挑战。



这些矛盾以及一些其它难以解释的天文观测现象（例如超高能宇宙射线、早期再电离、银河中心存在的大量正电子等）也导致一些人转换思路，提出了许多新的暗物质模型，如温暗物质模型、强相互作用暗物质模型、衰变暗物质模型、超重暗物质模型、轻暗物质模型等。这些模型与过去主要从粒子物理概念出发提出的超对称暗物质、轴子等不同，它们是从一些天文现象出发，指出什么样的暗物质性质有可能解释这些现象。对于这类模型，难以象原来研究超对称暗物质等那样从第一性原理出发讨论其探测，而需要根据它们的性质综合运用各种天文手段，获得“暗物质性质的天体物理限制”。这种研究方兴未艾，今年３月份在加州大学 Irvine 分校召开了以此为专题的讨论会。李政道先生曾经指出，在对暗物质暗能量的研究中，要运用“整体统一”的科学方法， 而这“应该是21世纪最重要的科学方法”。我对李先生这一说法的理解是，“整体统一”方法不同于近代自然科学中占主导地位的还原主义方法，因此这一进展在科学方法论上也颇具特色。



如上所述，我认为暗物质研究并不缺乏进展，实际上可以说是远远超过传统天文学领域的进展。因此，我选择这个报告题目，就是希望将暗物质研究领域的进展情况传递给其他领域的天文界同行（尽管上面提到的那一位同事并未出席此次会议）。同时，也是希望表明，暗物质研究与其它天文研究并非截然分开，而是密切联系在一起的。从事其他领域研究的天文学家，其研究成果也可能会有助于暗物质的研究。我的报告分为三部分，第一部分介绍暗物质研究的基本概念和历史，第二部分重点介绍了一些最近两年的重要发现，如关于子弹头星系团作为暗物质存在直接证据的研究，以及近来对本星系群矮星系的研究。第三部分则主要介绍了我们小组的一些研究进展，如我回国前关于暗物质相互作用和衰变对微波背景辐射影响的研究，张乐同学对暗物质衰变和湮灭对宇宙电离历史的研究，黄峰博士关于射电探测暗物质湮灭的研究，王有刚博士对利用我国即将建设的FAST望远镜对矮星系探测的可行性研究，巩岩同学对暗物质不可见衰变的研究等。



遗憾的是，尽管我花许多时间对报告尽可能做了精心准备，但实际效果并不太好。由于内容过多，因此在２５分钟的报告时间里，对每个问题往往只能蜻蜓点水地说一下，而且讲地很快，听众反应不过来，没有时间消化吸收。从报告后的问答以及事后与一些老师、同学的交流看，绝大多数听众对我报告的大部分内容都没有理解，而对于一些暗物质研究方面的小同行来说，我讲的可能又过于泛泛了。这个月初，我曾在卡弗里理论物理所的研讨会上讲过一次用重子声波震荡观测暗能量，由于类似原因效果也不太好。看来，对于怎样做好这类报告，我还是要总结经验教训，加以改进。也许单做科普介绍、或者单讲我们自己的工作进展更为现实一些。









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