什麼是暗物質？今天讓我們來揭開它的神秘面紗

安迪·布裏格斯在《天文學要點》|空間|上發表暗物質不發射光。在任何已有的工具基礎上，暗物質不能直接被天文學家觀測到。但是，天體物理學家相信暗物質和暗能量構成了宇宙中的大部分質量。什麼是暗物質，什麼不是。

一幅看上去飄逸、宇宙般的藍色長縷畫，上面點綴著大小不一的圓孔。

自20世紀30年代以來，天體物理學家一直在嘗試著解釋，為什麼星系中的可見物質不能解釋星系是怎麼形成的，或者它們有著怎樣的行為。他們相信有一種黑暗的或者不可見的物質彌漫著我們的宇宙，但他們仍然不知道暗物質應該是什麼樣的。
圖源：科學警報

暗物質是一種充滿神秘感的物質，被認為大約占宇宙組成成分的27%。暗物質究竟是什麼？或許說它不是什麼更容易些。

它不是普通的原子-組成我們身體以及周圍一切的成分-因為根據一種稱為蘭布達冷暗物質模型（又稱蘭布達-CDM模型，或者有時候就是標准模型）的宇宙模型，原子只占宇宙的大約5%。

暗物質跟暗能量不是一回事，根據標准模型，暗能量大概占宇宙的68%。

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暗物質是不可見的：它不發射、反射或者吸收光以及任何類型的電磁輻射，比如X射線或者無線電波。因此，暗物質不能被直接探測到，因為除了探測引力波，我們對宇宙的所有觀測都涉及到用望遠鏡捕捉電磁輻射。

然而，暗物質確實會與普通物質發生相互作用。它對於宇宙中的大型結構比如星系和星系團展現出了可測量的引力效應。正因如此，盡管天文學家不能直接看到暗物質，但卻可以繪制出宇宙中暗物質分布的地圖。

他們通過測量暗物質通過引力對普通物質的作用來做到這一點。

一個扁平的球形，上面均勻地分布著深藍、淺藍以及綠色的斑塊。

這張發表於2013年的全景圖顯示了投射在天空上的暗物質在整個宇宙歷史中的分布。它基於歐洲航天局的普朗克衛星所收集到的數據。深藍色區域代表的區域密度比周圍的區域大。淺藍色區域代表了密度較小的區域。圖像的灰色部分對應著天空的斑塊，前景輻射主要來自銀河系，但也來自附近的星系，使宇宙學家無法看清。圖源：歐洲航天局

目前，國際上正在努力確定暗物質的性質。為了解決這個問題，天文學家們使用了大量的先進技術，他們設計了更加複雜和敏感的探測器，以梳理出這種神秘物質的身份。

暗物質可能由一種至今未被確認的亞原子粒子構成，這種亞原子粒子完全不同於科學家所說的重子。重子只是普通的物質，在我們的周圍隨處可見，由質子和中子組成的普通原子構成。候選的亞原子粒子被分成了幾個群組：一組是WIPs（大質量弱相互作用粒子），一類被認為在早期宇宙就被產生的粒子。天文學家相信當WIPs相互碰撞時有可能會自我湮滅，所以他們在天空中尋找一些事件的軌跡，比如中微子或伽馬射線的釋放。

到目前為止，他們什麼都沒找到。此外，盡管有一種叫做超對稱的理論預測了與WIPs有相同性質的粒子的存在，但是直接尋找這個粒子的反複搜索也沒有發現任何東西，並且在大型強子對撞機上的實驗也完全沒有發現預期的超對稱的存在。

有幾種不同類型的探測器已經被用來探測WIPs。通常的想法是，在非常偶然的情況下，一個WIPs可能會和一個普通原子發生碰撞並釋放一束微弱的光，這束光可以被探測到。迄今為止最靈敏的探測器是XENON1T,它由10米長的圓柱體組成，內含3.2噸液氙，周圍環繞著光電倍增管，這些光電倍增管用來探測和放大來自這些罕見反應裏的非常微弱的閃光。截至2019年7月，當時該探測器退役，為更靈敏的儀器XENOnT鋪平了道路，但是卻沒有觀察到WIPs與氙原子發生碰撞。

盡管WIPs長期以來一直被視為暗物質的最佳候選粒子，但它們卻不是唯一的候選者。未能找到WIPs，以及隨之而來的不能解釋占宇宙質量很大比例的沮喪，使得很多科學家轉而尋找其它可能的粒子。

在這時，一個叫做軸粒子的假想粒子受到了大量的關注。除了作為暗物質的強有力的候選粒子，軸粒子的存在也被認為為物理學中一些長期存在的其他問題提供了答案，比如強CP問題。

穿著白襯衫的微笑著的老人坐下來，指著什麼東西。

天文學家弗裏茨·茨維基在1930年代根據他對後發座星系團的觀察首次預測了暗物質的存在。圖源：茨維基基金會

這種認為宇宙中可能存在對我們來說不可見、也不發射光的物質的觀點，已經有很長一段歷史了，可以追溯到幾百年前牛頓的時代。隨著所謂的“暗星雲”（阻擋了來自背景恒星的光的星際塵埃雲）的發現，以及皮埃爾·拉普拉斯在18世紀關於可能吞沒光線的物體（後來被稱為黑洞）的猜測，天文學家開始接受所謂“暗宇宙”的存在。

但是在現代，天文學家弗裏茨·茲威基於1930年代第一次觀測到了我們現在稱之為暗物質的物體。他在1933年對後發座星系團的觀測似乎暗示著它的質量是之前埃德溫·哈勃計算出的質量的500多倍。並且，這些額外的質量貌似完全不可見。盡管一開始茲威基的觀測遭受了很多懷疑，但這些結果之後被其它天文學家小組的觀測證實。

三十年後，天文學家維拉·魯賓提供了一系列暗物質存在的證據。她發現星系中心旋轉的速度和它們邊緣的速度相同，但是，當然，它們應該旋轉的更快。想想唱片台上的黑膠唱片：它的中心比邊緣旋轉的快一些。這也是我們在星系中也應該看到的邏輯，但我們沒有。解釋這個現象的唯一方法就是整個星系只是某些更大結構的中心，就好像它只是唱片上的標簽一樣，導致了星系從它的中心到邊緣都保持一致的旋轉速度。

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維拉·魯賓，茨維基的追隨者，假設星系中缺失的結構是暗物質。她的想法遭受到了很多來自天文學界的反對，但是她的觀測結果已經被證實，且在今天被視為暗物質存在的關鍵證據。為了紀念這個至關重要的、具有歷史意義的確定暗物質的存在的探索工作，目前正在智利建造中的革命性的、計劃明年見到初光的大型巡天望遠鏡，最近被重新命名為維拉C.魯賓天文台。

一位年輕的女天文學家穿著裙子，在望遠鏡前工作，周圍都是男天文學家。

暗物質先鋒者維拉·魯賓（1928-2016）。這張照片攝於1965年洛厄爾天文台。圖源：卡內基研究所/美國國家公共電台。

一些天文學家試圖通過所謂的修正牛頓動力學（MOND）來否定暗物質存在的必要性。這背後的想法是，引力在長距離上的表現和它在局部的表現不一樣，並且這種行為上的差異解釋了一些現象，比如星系旋轉曲線，我們認為它是暗物質造成的。

盡管MOND有它的支持者，但是當它可以用來解釋單個星系的旋轉曲線的時候，MOND的現有版本卻不能簡單地解釋更大結構的行為和運動，比如星系團，並且，在它現有形式中，它被認為不能完全解釋暗物質的存在。也就是說，引力在所有距離尺度上確實表現的一樣。另一方面，大多版本的MOND都有兩種引力，較弱的一個發生在低質量濃度的區域，比如在星系的外圍。然而，並非不可想象的是，未來會有某個新的MOND版本來解釋暗物質。

盡管某些天文學家相信在未來我們會確定暗物質的性質，但目前為止這項研究被證明是徒勞的，我們知道，宇宙經常會給帶來我們驚喜，沒有什麼是理所當然的。天文學家正在采用的方法是剔除這些不可能是暗物質的粒子，但願留給我們的是一個真正的暗物質。

這種方法是否正確還有待觀察。

結論：根據天文學理論，暗物質約占宇宙的27%。它不能用天文學家已有的工具被直接看到或者探測到，但是它的影響可以通過它對普通物質的引力來測量。

BY: earthsky

FY: Turboj

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