什么是暗物质?
现代天文学通过天体的运动、牛顿万有引力的现象、引力透镜效应、宇宙的大尺度结构的形成、微波背景辐射等观测结果表明暗物质可能大量存在于星系、星团及宇宙中,其质量远大于宇宙中全部可见天体的质量总和。
结合宇宙中微波背景辐射各向异性观测和标准宇宙学模型(ΛCDM模型)可确定宇宙中暗物质占全部物质总质量的85%、占宇宙总质能的26.8%。被广泛接受的理论认为,组成暗物质的是“弱相互作用有质量粒子”(weaklyinteractingmassiveparticle,WIMP)。
最早提出“暗物质”可能存在的是天文学家卡普坦(JacobusKapteyn),他于1922年提出可以通过星体系统的运动间接推断出星体周围可能存在的不可见物质。1932年,天文学家奥尔特(JanOort)对太阳系附近星体运动进行了暗物质研究。然而未能得出暗物质存在的确凿结论。1933年,天体物理学家兹威基(FritzZwicky)利用光谱红移测量了后发座星系团中各个星系相对于星系团的运动速度。
根据现代天文学,我们所能看到的行星、恒星、星系等普通物质只占宇宙的4.9%,另外还有普通物质5倍的暗物质,我们只能探测到它们的引力作用,而无法通过电磁学手段直接观测到它们。
在20世纪70年代,天文学家在观测星系的自转速度时发现,星系的自转速度并没有随着远离星系的中心而逐渐降低,而是几乎保持不变,星系边缘和靠近星系中心的自转速度相差很小。
这种现象十分反常,按照引力理论,距离中心越远,受到的引力作用越弱,则旋转速度应该也越小。然而,星系边缘的旋转速度很快,星系的引力根本无法维持这样的运动,它们早应该脱离星系才对。
这只能说明星系中还存着一种巨大的引力源,能够使星系的自转产生如此反常的现象,天文学家把产生这种引力的物质称作暗物质。
后来的观测结果进一步暗示了这种神秘物质的存在。根据广义相对论,光线在经过强引力场时将会发生弯曲,我们将会观测到扭曲的图像,这被称作引力透镜效应。天文学家在测量由星系产生的引力透镜效应时发现,星系中普通物质产生的引力所能导致的光线偏折远低于观测结果,这也能暗示星系中存在大量的暗物质。
暗物质是笼罩在现代物理学上空的两朵“乌云”之一(另一朵是暗能量),如果发现暗物质,其意义不亚于发现引力波。
遥想20世纪初,从笼罩在经典物理学上空的两朵“乌云”中分别诞生了相对论和量子力学,由此引发了物理学革命,奠定了现代物理学的基础。目前,我国“悟空号”卫星正在探测宇宙中的暗物质粒子,这是目前性能最为强大的暗物质探测卫星。
根据“悟空号”最近的观测结果,可能发现了一种新的粒子,或许就是天文学家苦苦寻找的暗物质粒子。有关进一步的结果,让我们拭目以待。
暗物质是天文学家卡普坦在1922年时提出的,宇宙中可能存在着一种看不见的物质。暗物质不和电磁波发生作用,也不反射光,所以不管用多厉害的望远镜通通观察不到。但是暗物质到底真的存在与否还有不少争议,需要我们继续去探索。