大家好，欢迎来到《天文探秘》课堂。本课程主要简单介绍天文学的基本知识，包括宇宙和星系、引力和暗物质、太阳和太阳活动、恒星和致密星（黑洞）、以及系外行星 等多个领域和方面。通过本课程的学习，你能够系统地了解到很多不曾了解的事实，惊奇地发现许多令人惊叹的奥秘。 本课程总共十周，由五位老师共同授课（各位老师均为相关领域的专家）、每人两周。课程以介绍基本知识为主，尽量避免复杂公式的推导和计算，所以难度不大，但知识点比较多。学习者通过观看视频学习，然后完成每周小测即可。最后总成绩即为每周小测成绩之和。 《天文探秘》课程是一门难得的好课，期待大家的加入，让我们一起探索神秘的宇宙！
通缉令：暗物质大搜捕
Loading...
来自 Nanjing University 的课程
天文探秘
63 个评分
从本节课中
暗物质
本章节主要介绍宇宙中一类特殊的物质——暗物质，作为一种重要却又无比神秘的东西，人们对它充满了兴趣。本章介绍它的发现、研究和寻找工作。
与讲师见面
施勇教授
天文与空间科学学院
谢懿副教授
天文与空间科学学院
陈鹏飞教授
天文与空间科学学院
李向东教授
天文与空间科学学院
周济林教授
天文与空间科学学院
按照目前的预言，有多少 WIMP
呢？ 这个很简单，你在地上放一把，放一把米尺，做一个一平方米
我们大概每秒钟有六亿个 WIMP 会从这个那把尺里面穿过去。
所以下回，下回谁过生日啊，别送什么了，拿一火柴盒上面写着送你一盒 WIMP，拿去吧。
送你一盒中微子也是适用的，我告诉你，送你一盒，两盒。
一个绿的一个红的，挑吧，一盒中微子，一盒 WIMP，拿去吧，就是这个。
但是呢，撞击地球的并不只有 WIMP
和中微子， 还有宇宙线，还有这个高能辐射，这个时候怎么办呢？
这个探测中微子和探测 WIMP 的科学家走了同样的道路。
挖坑，而且得挖深坑。
当然他们不会去为了这个东西去挖这样，这个代价太大。
百分之九十的预算都花在基建里了，怎么办呢？用已经有的这个矿井
盐矿的矿井或者是金矿的矿井，废弃的矿井，在矿井里面做这样的实验。
刚才说了，WIMP 会参与弱相互作用，
这个时候怎么办呢？就是说当外来一个粒子和这个 WIMP 发生碰撞的时候，或者
WIMP 和我的标靶粒子发生碰撞的时候，会把能量传递给另外一个粒子，于是乎呢，目前是怎么-
做的呢？ 我取一块晶体，取一块晶体，不用很大，很小也行，因为 WIMP
本身的这个 叫什么，数量很高，放在里面，低温，一定要低温啊，温度高不行，低温，如果有 WIMP 过来打到我这个晶体上面。
跟我晶体里面的这个里面的原子发生碰撞反射的话，我这个原子会发生小小的 振动，对吧！这个振动会使得它升温。
我可以通过测量这个东西来测量是不是有这个东西来到，这个，注意呀，这是很微弱的效应。
所以很难探测，或者说这个，我这个有很多的其他的背景。
这个效应所造成的，比如说噪音造成的，所有有的时候很难区分这样的 事件，所以这个是
WIMP 探测也好，或者是中微子探测也好， 都必须要面对的，怎么把宇宙本身的这个背景噪音给
去掉，这个时候呢有一个实验我很喜欢。
这个很妖娆的一个实验，为什么说很妖娆的实验呢？ 这是意大利科学家做的一个实验，想想其实道理很明白。
假设 我们在一个很均匀的由 WIMP 组成的背景里面运动。
就是地球太阳系在这样的一个运动，这个呢是我们的太阳，
太阳，太阳在运动对吧，在绕银河系中心的黑洞运动，这个周期呢差不多是两亿年，两点几亿- 年的样子。
这个时候旁边背景里有 WIMP 粒子，就是这个 暗物质粒子在里面，这个时候太阳在运动的过程中，我们也在运动对吧！我们在地球上嘛。
地球也在运动，在一个椭圆形的轨道上运动。
在下面这个时候呢，地球的速度是往那个方向的。
当地球运行到上面的时候呢，速度是那个方向的，于是乎，你会发现地球在整个一年里面
它的合速度，就是和太阳的运动起来合速度是有一个周年震荡的这样一个
这么一个调制，这个时候呢你会发现这个六月 份探测到的 WIMP，如果有 WIMP
的话六月份探测到的 WIMP 呢 会比较多，十二月份探测到的会比较少，因为速度要合成嘛，
你显然在这个，一会儿再说，这个涨落呢大概是百分之五到百分之十。
这个我先把结论交代，这个如果你不好理解的话，我给你们举一个最简单的例子。
外面下着雨，你往外跑。
问你一个问题，怎么跑呢？以什么速度跑和以什么角度跑你淋到的雨最少？
就是这样的一个问题，就是高中物理竞赛经常或者高中物理经常有的题。
这是一样的，如果有一个均匀的背景 WIMP 在里面，
均匀的背景，然后呢，你在里面运动同时在一个大的速度上面呢你有一个小的调制，对这- 个速度。
于是乎呢，探测到或者撞击到你身上的 WIMP 的数量呢，就会
有变化，很好理解，速度越高，在同样一个这个这个 这个
WIMP 的海洋里面，速度越高你单位时间内被撞击到的概率就越高，对吧。
这个时候整个调制呢有一年的周期叫做周年震荡。
这个实验呢在意大利的这个大山底下做的。
他们明显的看到了周年震荡的这个迹象，这是很好的例子，对吧，完全符合这个概念。
这个在 WIMP 海洋里面的调制，但是，但是
全世界只有意大利科学家做出这个实验，而且他们连续好几年都做出来了，其他人都没有做出- 来这样的实验。
这就是带来一个麻烦，叫什么呢，第一节课我们说叫可重复性，对吧。
不能说只有你看到了，别人看不到，你必须大家都能看到这才证明这叫有周年震荡的迹象。
所以这个实验尽管从概念上很好理解， 这个也很形象，但是只有意大利科学家做出来了，所以
不能作为完全的证据，事实上我给你们举一个例子， 在测量中微子的时候，在测量太阳中微子的时候，
也已经观测到了这样的震荡，为什么呢，因为太阳到地球的距离呀是
随着每年有变化，地球并不在一个圆轨道，在一个椭圆轨道上绕太阳转动。
它时远时近，这个时候中微子，探测到中微子的流量， 是会有调制的，尽管很微小，但是我们已经探测到了，所以这个吻合得很好。
这个不是什么高妙的什么现象，所以这个当 大家看到这样的现象但只有出现在一个探测器上面的时候，这就很郁闷。
本来是个很好的结果，但是实在太郁闷了，这个时候除了 这叫，刚才说的这叫直接探测，我们国家也有啊，好像是在四川的一个什么水坝
下面有这样的直接的暗物质探测的装置，但是呢还有很多人在探测暗物质的
间接证据，这些证据包括什么呢，暗物质，刚才说的 WIMP，它是
自己的反粒子，于是呢，当暗物质和自己相碰撞的时候就会发生湮灭。
湮灭的时候呢就会产生很多次级粒子，什么夸克啊，氢子啊， Bosons啊，这个然后这些粒子呢又会进一步的衰变成
这个正电子，然后呢，γ 光子等等，所以有很多探测器是探测这些东西的，探测这些东西的。
包括我们国家紫金山天文台的这个探测还有其他的像这个 α磁谱仪的探测，还有很多γ
射线望远镜的探测，都是探测这些 次级产物，就还不是 WIMP
本身，是次级产物，这个时候啊， 这个时候风险其实很高，为什么呢？
就像我刚才跟你说的，你现在不单单要依赖于你 对 WIMP
的假设，你还得依赖于它对次级产物产生的假设，对吧，你这个 整个实验的理论建立在很多的假设之上，
万一有一条假设出了问题，你那一篮子的鸡蛋就全砸了。
这个你必须得小心的一件事情是 这个是费米γ射线望远镜，
专门用来探测这个高能的 γ 辐射的，就是这个这个的， γ 射线辐射的。
这个这边的，这边的 γ 射线辐射，还有很多高浓度中微子，中微子怎么探测呢，
也是这样的，这个是一个在南极的，南极的一个天文台。
这个号称是人类目前所建造的最大的天文台，如果你认为它是一个天文台的话，
这个天文台是什么东西呢，其实很简单，这个在冰面上面打洞，
打洞啊，这是一个冰面，在冰面打洞，打完洞之后呢， 把绳子放下去，这个绳子上面挂了很多的这个东西。
这个，就是探测光信号的东西，这个怎么打那几个洞。
拿钻机，不行，拿热水。
拿热水画一个圈，拿热水往里灌，
把那个冰给化了，然后呢，冰给化了然后把那绳索放进去。
据说啊，冰是很好的这个绝缘体，这个热水坑啊，
打完之后三天不会冻上，三天不会冻上，然后你把这个绳索放进去， 这个是它这个整个冰立方的这个剖面图，看到这个标尺没有？
两千多米啊，两千多米，埃菲尔铁塔在这，埃菲尔铁塔的高度是三百多米。
所以整个啊，实验装置有这么大，为什么叫冰立方呢？差不多有一千
有一平方这个，有一立方这个千米的这个冰。
作为这个探测器，基本上绳子要往下放将近两千米啊，两千多米。
这个啊，冰立方在当时做的时候，
这个坑，或者这个洞啊没打那么深，只打到了上面，后来发现有问题，为什么呢？
这个怎么探测呢，当这个中微子入射的时候，高能中微子入射的时候，它在冰里面运动的- 速度啊，
会超过冰里面的光速，这个能明白吧？在 介质里的光速不是什么二九九，七九二，四五八米每秒，是另外一个数字。
但是这个当你这个高能粒子运动的时候，可以比这个速度还要高。
这个时候它会产生切伦科夫辐射，一种蓝色的可能是蓝色的辐射，这些光电倍增管呢就是探测- 这些辐射从
哪个方向来的，能量有多少？当它把它记录下来之后呢就可以反演出这个中微子来的方向，是- 这样的。
这个早些年为什么这个冰层不行呢，当它打到这个的时候，在这边放的时候有问题。
发现这个信号老是很模糊，这个到底哪来的，搞不清楚，为什么呢？
冰里面有气泡，好理解吧，冰里面有气泡。
但是当你把这个管道埋得深了之后呢，你会发现，因为冰本身有重量。
把冰层里的气泡呢，就挤压出去了，这个时候信号就很强就没有问题。
这个切伦科夫辐射是现在很大的这个一个应用，用在很多的高能粒子探测上面。
这个有人曾经预言，如果你作为一个宇航员，飞出地球磁层的话， 你的眼睛里说不定会看到蓝色的光芒，就是因为高能粒子
打到你的眼睛里，你的眼睛主要是晶状体嘛，晶状体里是水。
这个粒子的速度超过了你晶状体里面水的
局部的光速之后就会产生切伦科夫辐射，就会看到这个，这样的现象，打目前人类
没有一个人真正的飞出地球的磁层，进入这么样的一个深度的
行星际空间，所以不知道能不能看到这样的景象，这个是刚才那个。
这个是我们目前对于暗物质的了解，这个是网上的一些这个
材料，你们可以有兴趣去看一下，这是关于粒子探测的，所以还是回到刚才拉姆斯菲尔德的那-
句话，我特喜欢那句话， 那同学也很喜欢，
这个，这就是，这叫什么呢？这就叫职业政治家所说的话，很多人不知道这个。
[音乐]
