Question

暗物质究竟是什么？科学家尚无法给出确切答案

Answer 1

宇宙中超过 80% 的物质是由科学家从未见过的物质组成的。它被称为暗物质，我们只是假设它存在，因为没有它，恒星、行星和星系的行为根本就没有意义。这是我们所知道的，或者更确切地说，是我们认为我们知道的。 什么是暗物质，为什么它是不可见的？ 暗物质是完全看不见的。它不发射光或能量，因此不能被传统的传感器和检测器检测到。科学家们认为，其难以捉摸的本质的关键必须在于它的成分。 可见物质，也称为重子物质，由重子组成——重子是质子、中子和电子等亚原子粒子的总称。科学家们只是推测暗物质是由什么构成的。它可以由重子组成，但也可以是非重子，这意味着由不同类型的粒子组成。 大多数科学家认为暗物质是由重子物质组成的。主要候选者 WIMPS（弱相互作用的大质量粒子）被认为具有质子质量的十到一百倍，但它们与“正常”物质的弱相互作用使它们难以被发现。中微子是比中微子更重、更慢的巨大假设粒子，是最重要的候选者，尽管它们尚未被发现。 无菌中微子是另一个候选者。中微子是不构成常规物质的粒子。一条来自太阳的中微子河流，但由于它们很少与正常物质相互作用，它们穿过地球及其居民。 已知有三种中微子；第四种，无菌中微子，被提议作为暗物质候选者。无菌中微子只能通过重力与常规物质相互作用。 密歇根州立大学物理学和天文学副教授、南极洲冰立方中微子天文台的合作者泰斯·德扬告诉太空：“一个悬而未决的问题是，进入每个中微子种类的分数是否存在模式。” .com。 较小的中性轴子和不带电的光子——都是理论粒子——也是暗物质的潜在占位符。 还有反物质这种东西，和暗物质不一样。反物质由与可见物质粒子基本相同但电荷相反的粒子组成。这些粒子称为反质子和正电子（或反电子）。当反粒子遇到粒子时，会发生爆炸，导致两种物质相互抵消。因为我们生活在一个由物质构成的宇宙中，很明显周围没有那么多反物质，否则就什么都没有了。与暗物质不同，物理学家实际上可以在他们的实验室中制造反物质。 但如果我们看不到暗物质，我们怎么知道它的存在呢？答案是重力，由物质构成的物体所施加的力与其质量成正比。自 1920 年代以来，天文学家就假设宇宙必须包含比我们所能看到的更多的物质，因为似乎在宇宙中发挥作用的引力似乎比仅可见物质所能解释的要强。 天文学家在 1970 年代检查螺旋星系时预计会看到中心的物质比外缘移动得更快。相反，他们发现两个位置的恒星以相同的速度行进，这表明星系包含的质量比可见的要多。 对椭圆星系内气体的研究也表明，需要比可见物体更多的质量。如果星系团所包含的唯一质量是常规天文测量可见的质量，它们就会飞散。 不同的星系似乎包含不同数量的暗物质。2016 年前，范多库姆领导的一个团队发现了一个名为蜻蜓 44的星系，它似乎几乎完全由暗物质组成。另一方面，自 2018 年以来，天文学家发现了几个似乎完全没有暗物质的星系。 引力不仅影响星系中恒星的轨道，还影响光的轨迹。著名物理学家阿尔伯特·爱因斯坦在 20 世纪初表明，宇宙中的大质量物体由于其引力而弯曲和扭曲光。这种现象称为引力透镜。通过研究光是如何被星系团扭曲的，天文学家已经能够绘制出宇宙中暗物质的地图。 今天，绝大多数天文学界都承认暗物质的存在。 尽管所有证据都指向暗物质的存在，但也有可能根本不存在这样的东西，并且描述太阳系内物体运动的万有引力定律需要修改。 暗物质似乎以网络状分布在整个宇宙中，在纤维相交的节点处形成了星系团。通过验证引力在我们太阳系内外的作用相同，研究人员为暗物质和暗能量的存在提供了额外的证据。 暗物质从何而来？ 暗物质似乎以网状分布在整个宇宙中，在纤维相交的节点处形成了星系团。通过验证太阳系内外的引力作用相同，研究人员为暗物质的存在提供了额外的证据。（事情甚至更复杂，因为除了暗物质之外，似乎还有暗能量，这是一种无形的力量，负责对抗重力的宇宙膨胀。） 但是暗物质从何而来？显而易见的答案是我们不知道。但还是有一些理论。2021 年 12 月发表在《天体物理学杂志》上的一项研究认为，暗物质可能集中在黑洞中，黑洞是通往虚无的强大大门，由于它们的极端引力，它们会吞噬附近的一切。因此，暗物质将与我们今天所看到的宇宙的所有其他构成元素一起 在大爆炸中产生。 白矮星和中子星等恒星残骸也被认为含有大量暗物质，所谓的自有矮星也是如此，这些失败的恒星没有积累足够的物质来启动核聚变. 科学家如何研究暗物质？ 既然我们看不到暗物质，那我们真的可以研究它吗？有两种方法可以更多地了解这个神秘的东西。天文学家通过观察宇宙中物质的聚集和物体的运动来研究宇宙中暗物质的分布。另一方面，粒子物理学家正在寻求探测构成暗物质的基本粒子。 安装在国际空间站上的一项名为阿尔法磁谱仪(AMS) 实验可以检测宇宙射线中的反物质。自 2011 一直以来，它已被超过 1000 亿条宇宙射线击中，为了解穿越宇宙的粒子组成提供了迷人的见解。 “我们测量了过量的正电子（电子的反物质对应物），这种过量可能来自暗物质，”AMS 首席科学家、麻省理工学院诺贝尔奖获得者 Samuel Ting 告诉 Space.com。“但目前，我们仍然需要更多数据来确保它来自暗物质，而不是来自一些奇怪的天体物理学来源。这将需要我们再运行几年。” 回到地球上，在意大利的一座山下，LNGS 的 XENON1T正在寻找 WIMP 与氙原子碰撞后的相互作用迹象。 位于南达科他州金矿的大型地下氙暗物质实验(LUX) 也一直在寻找 WIMP 有相互作用的迹象。但到目前为止，该仪器还没有揭示出什么神秘的物质。 IceCube中微子天文台是一个埋在南极冰冻表面下的实验，正在寻找假设的无菌中微子。无菌中微子仅通过重力与常规物质相互作用，使其成为暗物质的有力候选者。 旨在探测难以捉摸的暗物质粒子的实验也在瑞士欧洲核研究组织(CERN) 的强大粒子对撞机中进行。 几个绕地球运行的望远镜正在寻找暗物质的影响。欧洲航天局的普朗克航天器于 2013 年退役，在拉格朗日点2（绕太阳轨道上的一个点，航天器相对于地球保持稳定位置）工作了四年，绘制了宇宙微波背景的分布图，宇宙大爆炸的遗物。这种微波背景分布的不规则性揭示了暗物质分布的线索。 2014 年，美国宇航局的费米伽马射线太空望远镜在伽马射线光下绘制了我们银河系中心的地图，揭示了从其核心延伸出的过量伽马射线辐射。 “我们发现的信号无法用目前提出的替代方案来解释，并且与非常简单的暗物质模型的预测非常一致，”主要作者、伊利诺伊州费米实验室的天体物理学家 Dan Hooper 告诉 Space.com。 研究人员说，过量可以通过质量在 31 到 400 亿电子伏特之间的暗物质粒子的湮灭来解释。结果本身不足以被认为是暗物质的确凿证据。需要来自其他观测项目或直接探测实验的额外数据来验证解释。 经过 30 年的发展，于 2021 年 12 月 25 日发射的詹姆斯韦伯太空望远镜预计也将有助于寻找难以捉摸的物质。世纪望远镜的红外眼睛可以看到时间的开始，无法直接看到暗物质，但通过观察宇宙最初阶段以来的星系演化，有望提供见解这在以前是不可能的。

Answer 2

暗物质在宇宙物质总量中的比重达到84%，但不放射、不吸收也不反射光线，同时也不产生任何已知形态的辐射。暗物质完全不带电磁荷，只通过引力与其它物质发生交互。暗物质并非由原子或者电子、质子和中子等原子构件组成，特性充满神秘色彩。根据科学家提出的理论，暗物质由某种新型粒子构成，这些粒子符合宇宙定律，但并未在常规粒子物理学研究中出现。

自上世纪60年代“广义相对论的黄金时代”以来，科学家便坚信宇宙中的大部分物质都是神秘莫测的 暗物质 。科学家采用“两手抓”的策略，希望能够揭示暗物质的谜团。一方面，天体物理学家试图找到构成暗物质的粒子。另一方面，他们还努力寻找理论基础，来解释暗物质的行为。一直以来，科学家讨论焦点的都是“暗物质究竟是热是冷”？由于相对比较简单， 冷暗物质模型 一直更胜一筹。

根据哈佛-史密森尼天体物理学中心进行的一项新研究，暗物质 可能是温的 。这一结论立基于星系形成模拟，所采用的宇宙模型包含温暗物质。这些模拟由哈佛-史密森尼天体物理学中心、麻省理工学院卡维利天体物理学与空间研究所、波茨坦莱布尼茨天体物理研究所以及多所大学组建的一支国际研究小组进行。研究论文于最近刊登在《皇家天文学会月报》上。

大爆炸后10亿年，暗物质对宇宙的演化产生深远影响。从星系形成到宇宙微波背景辐射的分布，暗物质据信在宇宙的方方面面都扮演角色。包含暗物质作用的宇宙学模型不仅得到两种截然不同的宇宙结构的观测结果的支持，同时也符合宇宙膨胀速度等宇宙参数。

根据最被广泛认可的暗物质模型，暗物质只通过引力与其它物质或辐射发生交互。这个模型被称之为 冷暗物质（CDM）模型 。冷暗物质模型通常结合暗能量理论，也就是所说的LCDM宇宙学模型，其中的L代表暗能量理论。

研究论文主执笔人、哈佛-史密森尼天体物理学中心的天文学家索纳克·伯瑟指出：“冷暗物质模型是一个久经考验的热门模型。这主要是因为过去40年，科学家一直在利用冷暗物质进行预测，冷暗物质模型已成为一个标准范式。预测结果随后与实际数据进行比较。结果发现这个模型能够再现我们观察到的不同规模和不同类型的宇宙现象。”

科学家利用所谓的“热暗物质”进行了大量宇宙演化模拟。这里的热暗物质是指中微子。中微子是一种与电子非常相似的亚原子粒子，但并不携带电荷。它们的质量很轻，以接近光速的速度在宇宙中穿梭。换句话说，它们在运动学上是“ 热的 ”。

利用中微子进行模拟结果显示，其预测分布与当前的宇宙截然不同。伯瑟指出：“出于这个原因，科学家开始考虑反向极限，即中微子在诞生时几乎没有任何速度，也就是‘冷的’。将这一因素考虑在内的模拟结果更契合宇宙的现代观测发现。在对相同星系团再次进行测试后，天文学家发现模拟宇宙与观测到的宇宙惊人契合。在随后的几十年，这种冷粒子经受住比星系团更严格的测试，通常都能顺利通过。”

电脑模拟的暗物质分布，橙色区域为宿主星系，蓝色为气体和暗物质

科学家之所以宠爱冷暗物质还有另一个原因，即至少理论上可以进行直接或者间接探测到这种物质。不过，这也正是冷暗物质模型的问题所在，因为目前所有探测冷暗物质粒子的尝试均以失败告终。为此，宇宙学家开始考虑其它可能的粒子，它们能够在更小层面与其它物质发生交互。

研究中，伯瑟的研究小组将目光聚焦“温”暗物质候选粒子。这种粒子能够与接近光速的超轻粒子发生微妙交互。它们能够与中微子发生交互。据信在炙热的宇宙初期，中微子普遍存在于宇宙中。因此， 温暗物质 的存在会产生重大影响。

伯瑟指出：“在这个模型中，暗物质粒子可以与光子或者中微子等放射性粒子进行有限且微弱的交互。这些交互会在早期宇宙的团块结构中留下一个非常独特的印记。而这与冷暗物质模型描述的宇宙截然不同。”

为了测试这一点，研究小组利用哈佛和冰岛大学的超级计算机进行精密的宇宙学模拟。这些模拟考虑了大爆炸后10亿年到140亿年的星系形成受到温暗物质的影响。伯瑟表示：“我们进行的电脑模拟展现了经过140亿年演化后的宇宙图景。除了对暗物质构成进行建模，我们还模拟了 恒星形成、超新星和黑洞的影响以及金属形成 的相关信息。”

研究小组将模拟结果进行比对，寻找能够区分不同结果的信号。根据他们的研究发现，在很多存在温暗物质影响的模拟中，这些影响非常微弱，无法被察觉到。不过，它们以某些非常独特的形式存在，尤其是在影响遥远星系的分布方面。

这种观测非常有意思，因为科学家可以借助下一代科学仪器在未来进行验证。伯瑟指出：“我们可以通过观测氢气分布，测绘早期宇宙的团块结构。从观测的角度上说，这是一项非常成熟的技术。我们可以通过观测 遥远星系的光谱 探测早期宇宙的中性氢。”

遥远星系放射的光线在抵达地球前一定会穿过星系际介质。如果星系际介质存在大量中性氢，部分星系的辐射会被吸收。如果只存在少量中性氢，它们则畅通无阻。如果暗物质是冷的，会导致团块状氢气分布更明显。相比之下，温暗物质会导致振荡团块。

当前的天文观测仪器的解析度无法测算早期宇宙的氢气振荡。伯瑟指出这项研究为制造具备这种观测能力的新实验装置和新设施提供了动力。例如，像詹姆斯·韦伯望远镜这样的红外观测仪器可用于绘制新的氢气吸收分布图，帮助科学家证实温暗物质的影响或者排除这种可能性。此外，这项研究也会促使科学家思考其他可能性。

伯瑟指出这项研究的真正价值在于，理论预测能够促使科学家 探索 新疆界，测试我们已知学识的极限。“这是科学研究的真正意义所在。我们要做的就是做出一项预测，而后提出一种验证方式，最后通过实验来限制/排除这一理论。”

Answer 3

当星系团对撞的时候，它们的暗物质会互相穿过，彼此几乎互不影响。瑞士洛桑联邦理工学院和爱丁堡大学的科学家挑战了暗物质是由粒子构成的这一说法，让暗物质这个谜变得更加高深莫测。暗物质到底是什么？暗物质是最大的科学谜题之一。宇宙中的大量物质都是暗物质，它们是看不见的，也和我们所感受到的任何东西都不一样。关于暗物质有很多理论，但是没有一个能一统江湖。在瑞士洛桑联邦理工学院和爱丁堡大学进行的一项合作研究中，科学家考察了在长达几十亿年的时间里，在星系团的相互碰撞中，暗物质的行为模式是什么样的。虽然宇宙中90%以上的物质都是暗物质，宇宙中四分之一以上的能量来源于暗物质，但是我们对于暗物质知之甚少。天文学家所持的一个主流观点是，暗物质是由一种我们还没有发现的新型次原子粒子构成的。还有更异乎寻常的理论认为，暗物质是一种量子亏损，是异次元的质量，甚至是引力的一种变形。暗物质会影响什么？我们确切知道的是，暗物质会通过引力与宇宙结构相互影响，会改变宇宙结构的形态。例如，暗物质会使穿过它们的光发生弯曲，使远距离空间物体的形象发生扭曲。而且，暗物质会加速星系团中星系的移动。星系团是几百个星系的集合，其中包含的恒星、行星和气体数量是真正的天文数字。星系团中也有90%的物质是暗物质，所以是理想的研究对象，特别是星系团相互碰撞而导致它们中的暗物质发生互动的时候。瑞士洛桑联邦理工学院的David Harvey研究了星系团的碰撞，发现了关于暗物质的性质的若干线索。他和他的同事一共研究了72个星系团碰撞的数据。这些宇宙大碰撞发生在长达几十亿年的时间里，是星系团因为其自身的庞大质量相互吸引而发生的。当星系团发生碰撞时，每个星系团中的暗物质都会与另一个星系团中的暗物质发生互动，为我们提供了研究暗物质的独特机会。Harvey的数据来自于Chandra X射线太空望远镜和哈勃望远镜，其中也包括著名的子弹星系团大碰撞，这次特殊的碰撞实际上是目前掌握的证明暗物质存在的最好证据。星系团碰撞告诉我们什么？研究人员分析了这些碰撞的数据，衡量了当另个星系团碰撞时其中暗物质的动量的变化。在地球上的实验告诉我们，当次原子粒子互动时，它们会交换动量。因此，根据碰撞后暗物质动量的变化，研究者就可以了解它们的性质。为了验证暗物质是由粒子构成的这个理论，研究设想了两种可能出现的情境：一种情境是暗物质频繁互动，但是几乎不交换动量；另一种情境是暗物质之间的互动极少，但是会交换大量的动量。在第一种情况下，暗物质在碰撞后速度会慢下来，因为频繁的粒子互动会导致额外的“阻碍”。在第二种情况下，暗物质会四处分散，并最终消失在空间里。令人惊讶的是，研究发现，星系团中的暗物质的碰撞时只是互相穿过。这意味着暗物质粒子之间并没有发生互动，从而也没有因此放慢速度。相反，虽然暗物质似乎会与可见物质发生非引力性的互动，但是它们彼此之间却不会互动。更重要的是，这项研究挑战了暗物质是由像质子这样的粒子，或任何粒子，构成的这个观点。“我们现在认为，‘两个暗物质粒子’发生互动的可能，小于两个质子发生互动的可能。这意味着暗物质不可能是由‘暗质子’构成的，”David Harvey说。“如果暗物质是由暗质子构成的，我们就会看到它们互相发生撞击。”