暗物質(zhì)是什么？

暗物質(zhì)是一種神秘的物質(zhì)，它不與任何形式的電磁輻射（即光）相互作用。它不會(huì)輻射光，光也不會(huì)反射回來。盡管我們從未直接探測到暗物質(zhì)，但大量證據(jù)證明了它的存在。

暗物質(zhì)存在的證據(jù)

弗里茲·扎維奇于20世紀(jì)30年代首次提出這個(gè)想法，當(dāng)時(shí)他正在觀察附近眾多的彗發(fā)星系團(tuán)。通過觀察這些星系發(fā)出的光，扎維奇估計(jì)了星團(tuán)的總質(zhì)量。但當(dāng)他測量星系速度時(shí)，扎維奇發(fā)現(xiàn)它們移動(dòng)得太快了，星系團(tuán)本來應(yīng)該已經(jīng)分裂了，可相比之下，它質(zhì)量引力太小不夠支持星系團(tuán)的分裂。

扎維奇似乎不太可能在分崩離析中抓住這一集群。相反，其他星系不可觀測的物質(zhì)，卻對(duì)星系團(tuán)總質(zhì)量做出了巨大貢獻(xiàn)，并將其聚集起來。茲維奇認(rèn)為，這里一定有某種看不見的物質(zhì)在起作用，這種物質(zhì)產(chǎn)生了可觀察到的引力效應(yīng)，但卻不像正常物質(zhì)那樣進(jìn)行輻射。

進(jìn)一步證明暗物質(zhì)存在，是來自單個(gè)星系的旋轉(zhuǎn)曲線，這些曲線將恒星繞其星系中心運(yùn)行的速度與恒星距星系中心的距離進(jìn)行比較。外圍軌道上的恒星速度運(yùn)行極快，它不應(yīng)受星系的束縛，然而事實(shí)就是如此。如果我們對(duì)引力的理解是正確的，那么只有銀暈中存在無法觀測的質(zhì)量源時(shí)，才能解釋這些恒星擁有如此之快的速度。

星系團(tuán)阿貝爾1689中的暗物質(zhì)濃度呈藍(lán)色。天文學(xué)家通過引力透鏡確定了這些濃度的位置。

美國宇航局，歐洲航天局，公共操作環(huán)境系（美國宇航局 噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室/加利福尼亞理工學(xué)院以及太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所）

宇宙學(xué)家也懷疑過，暗物質(zhì)的存在是由于引力透鏡效應(yīng)。來自遙遠(yuǎn)星系的光傳向地球時(shí)，它必須經(jīng)過其他宇宙結(jié)構(gòu)，如星系團(tuán)。而光通過這樣的星系團(tuán)時(shí)，星系團(tuán)強(qiáng)大的引力場就會(huì)像一個(gè)透鏡，彎曲并放大遙遠(yuǎn)星系的光。背景星系的圖像可能會(huì)被涂抹成一個(gè)弧、一個(gè)光環(huán)，或者分離成多個(gè)圖像。因?yàn)榕で潭热Q于前景星系團(tuán)的質(zhì)量，天文學(xué)家可以使用這種引力透鏡來測量附近星系團(tuán)的質(zhì)量。而且，測量到的質(zhì)量總是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過星系團(tuán)預(yù)期發(fā)射的光。

宇宙微波背景的波動(dòng)，是大爆炸遺留下來的輻射，這為暗物質(zhì)的存在，提供了進(jìn)一步的證據(jù)。宇宙學(xué)家可以利用這些波動(dòng)，來計(jì)算宇宙的密度和成分。歐空局普朗克航天器觀測的計(jì)算結(jié)果表明，原子只占宇宙總能量和總質(zhì)量的4.9%。此外，普通物質(zhì)只占宇宙中所有物質(zhì)（常規(guī)物質(zhì)和暗物質(zhì)）的1/6。所以暗物質(zhì)一定占宇宙總質(zhì)量和總能量的27%。

圖解：宇宙微波背景輻射圖

除此之外，對(duì)宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的模擬，只有在包含暗物質(zhì)的情況下，才與觀測結(jié)果相匹配。沒有暗物質(zhì)的模擬，不會(huì)產(chǎn)生宇宙中所看到的星系團(tuán)“宇宙網(wǎng)”的絲狀體和空洞結(jié)構(gòu)。

暗物質(zhì)的性質(zhì)

暗物質(zhì)的性質(zhì)仍然懸而未決。在最廣泛研究的模型中，科學(xué)家們假設(shè)暗物質(zhì)由弱相互作用的大質(zhì)量粒子組成。這些亞原子粒子并不存在于粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型中，但是物理學(xué)家們在超對(duì)稱模型的擴(kuò)展中預(yù)測了它們的存在。WIMPs通過重力與正常物質(zhì)相互作用，很少通過四種基本力之一的弱核力（其他三種是強(qiáng)核力、電磁力和引力）。

圖解：弱核力（弱相互作用力）

目前，科學(xué)家們正試圖使用地下礦井中的探測器直接找到WIMPs，或者通過粒子湮滅時(shí)發(fā)射的伽馬射線間接地找到WIMPs。（后者要求WIMP粒子是它自己的反粒子,物質(zhì)和反物質(zhì)相互作用）然而，最近非探測數(shù)據(jù)，如來自勒克斯、低溫暗物質(zhì)搜尋計(jì)劃以及大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的報(bào)道，科學(xué)家們已經(jīng)研究了更加復(fù)雜的WIMP模型。

當(dāng)然，還有一種可能是，我們目前對(duì)引力的理解（即愛因斯坦的廣義相對(duì)論）迫切需要修改。到目前為止，廣義相對(duì)論已經(jīng)成功地通過了每一項(xiàng)測試，但仍有一些天文學(xué)家和物理學(xué)家正在研究引力的變化，例如修正牛頓動(dòng)力學(xué)，看看他們是否能夠否定暗物質(zhì)的需求。

作者: skyandtelescope

FY: 小蜜蜂

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