Question

暗物质到底是一种怎样的存在？如何通俗的理解？

Answer 1

关于暗物质，自从上次我们国家悟空探测器的发现，暗物质开始被我们所熟知。不过，实际上暗物质的概念在上世纪就已经被提出来了。那具体是咋回事呢？

多余的引力？

上世纪30年，就有科学家发现，星系周围的恒星跑得比理论计算的快，就拿我们太阳系来说，如果按照理论计算，应该是160km/s，但是实际观测的结果却是220km/s。(这里所谓的理论，就是以牛顿的万有引力为基础的理论。

不仅仅是太阳，其实类似的情况是十分普遍的。很多星系的恒星都跑得要比理论值快得多得多，当时也引起了很多科学家的疑问。

恒星跑得快也就算了，但问题是，“跑得快”这件事并不简单。如果我们试想一下这样一个场景，你拿着一个有线的耳机，然后开始甩起来，让耳机绕着手指做圆周运动。如果你甩的越快，实际上你所需要要拽住耳机的力气就越大。类似的事情其实也发生在奥运会赛车上，有一个项目叫做链球，如果运动员把链球甩起来的速度越快，那所需要拉住这个链球的力就越大。因此， 这种“异常的高速”预示着多余的引力存在。

暗物质

为了解决这个问题，物理学家不得不假设“暗物质”的存在。为什么要做这样的假设呢？

其实我们只要思考一下，我们是如何观测物理现象的就可以。在宇宙中，目前我们已知的存在四种作用力，分别是强相互作用，弱相互作用，引力，电磁相互作用。

强相互作用和弱相互作用其实都是在原子核的层面上。也就是说，日常生活中，除了引力之外，剩余的都是电磁相互作用，我们熟悉的弹力，摩擦力等都属于电磁相互作用。甚至是我们观测宇宙中的物理学现象都是如此。具体来说是这样的，在宇宙中某个天体发出电磁波（光子），经过漫长的传播到达地球，然后被地球附近以及地球上的探测器所捕捉到，这时候我们也就得知了某个地球存在这某个天体。所以，我们能够看到东西或者观测到东西，是需要现象或者物体自身要发光。

而暗物质很奇葩，它其实不参与到电磁相互作用当中，因此，我们并不能观测到暗物质的存在。不仅如此，根据目前的研究来看，暗物质在宇宙中的占比比已知物质还要多，是已知物质的5倍左右。

但由于它自身属性的缘故，使得暗物质粒子时时刻刻在穿过我们的身体，但我们不得而知。这一点有点类似于“上帝粒子”中微子的感觉。

因此，想要不被人类所观测到的办法就得不参与电磁相互租用。而这也是暗物质最大的特点。除了这个特点之外，暗物质还有啥特点呢?

暗物质有

基于上文的讲解，我们大致对暗物质有一定的了解。我们要知道，如果暗物质并不存在，那这时候的银河系应该是会散架的。这是因为需要一下子减少5/6的引力。如果我们换个角度来看这个问题，我们就会发现，早期的星系形成其实暗物质应该占到了大头，否则星系应该是无法形成的。因此，我们可以认为暗物质其实是星系形成过程中起到了十分关键的作用，也就是说，暗物质实际上是星系的粘合剂。

暗物质和普通物质最大的区别就是它完全不可见，只能通过天体速度异常来确认它的存在

古典物理学奠基人艾克萨.牛顿在17世纪对引力现象进行了总结归纳并发展出了“万有引力定律”，该定律结合微积分这个强有力的数学工具后开始在天文学中大放异彩， 比如说海王星就是在物理学家先用万有引力定律计算出轨道的情况下再被天文学家“蹲点捕获”的 ，因此海王星也被称为“笔尖上发现的行星”

除了发现新行星以外，万有引力定律还告诉我们“引力的大小与距离的二次方成反比”，这也是为什么距离太阳越远的行星公转速度越慢（ 海王星需要84年才能绕太阳公转一圈 ），距离太阳越近的行星公转速度越快的原因（ 水星只需要87天就能绕太阳公转一圈 ）

万有引力定律以及平方反比定律 的准确和高效一度让天文学家们认为整个宇宙的天体运行规律都再无秘密可言，然而他们错了。

1933年天体物理学家兹威基通过光谱分析了后发座星系团内的星系运动速度，然而分析结果却显示星系团边缘的星系运动速度竟然比星系团内侧星系的运动速度还要快，而按照平方反比定律外围星系的运动速度应该慢于内侧星系才对， 于是兹威基认定在后发座星系团内肯定还有其他未被发现的物质提供着额外的引力，这种“额外物质”便是今天我们说的暗物质。

后来的天文学界从兹威基的发现入手，开始大规模分析宇宙中的天体运动速度，结果发现暗物质竟然是广泛存在于宇宙中的（ 在如今的宇宙学模型里暗物质占比24%，而普通物质仅占4.6%，剩下的71.4%则是暗能量 ）

目前可以确定的是暗物质不是由我们已知的任何粒子构成的，我们无法在电磁波频谱上发现它的踪迹，所以目前物理学界对暗物质的研究还很艰难，我国的“悟空”暗物质探测卫星也仍然在艰难寻找暗物质的踪影。

没有人见过的暗物质，听起来就像是幽灵一样。直到今天，天文学家和物理学家仍在探讨它们是否存在。要想回答这些我们还不能直接探测到的物质的存在，显然是困难的、粗浅的。

1933年，美国加州理工学院的瑞士天文学家 茨维基（Fritz Zwichy） 最早提出证据推断暗物质的存在。他用多普勒效应测定 后发座星系团（Coma Cluster） 中各处的旋转速度，发现中央向外天体转速并不减少。根据牛顿万有引力定律，在这个星系团中一定存在着我们没有考虑到的因素。由于没有证据说明除了引力之外还有其他的力可以对星系结构发生影响，则唯一合理的解释就是，在该星系团的周围存在着看不见的 “暗物质”。 它们包围着星系，像一只巨大的晕轮，而且看不见的物质要比看得见的恒星、气体云等多上百倍。
我们的太阳系可不是这样的，太阳系中99%的质量集中在太阳上，不发光的行星、彗星总共不足1%；离太阳近的行星公转得快，如水星的轨道速度是48公里/秒，而远处的冥王星转速慢，只有4.7公里/秒。因此当时几乎没有人相信茨维基。

到了上世纪70年代，美国天文学家 薇拉·罗宾（Vera Rubin） 根据天体运动状态建立了星系运动计算机模型，可以非常准确地预测出观测到的太阳系的真实运动。但她在预测其他星系运动时却出乎意料地失败了。罗宾测量了60多个与银河系相似的星系旋转速度，得出与茨维基相同的结论。

射电天文学家测量星系外围射电气体云的转速，表明也有许多暗物质，其质量远超过稀薄的的气体云。如果在计算机程序中加入代表这些暗物质的参数，就可以准确地预测星系的真实运动。这样一来，暗物质的存在似乎变得不容质疑了。
那么唱宇宙总质量主角的暗物质到底是什么？

天文学家煞费苦心地猜想，迄今没有令人满意的答案。如果暗物质与我们已知的普通物质一样，也是由原子组成的，银河系中就该有100亿个黑洞；但即使有这么多黑洞，宇宙中元素的比例也应与现在所知的大不相同。要不就是每个恒星周围有大量行星，例如太阳系中就该有一万个木星，但这么多行星中只要有几个质量再大100倍，就会发生核聚变而发光，也就不是暗物质了。

由此，有学者假设，牛顿动力学理论应用于远距离时应作修正，但目前尚无法验证。

物理学家猜想，暗物质很可能不是原子，甚至不是质子、中子组成的，而是中微子，或是假设中的“轴子”（axion）、惰性中微子（sterile neutrino）、或“弱相互作用有质粒子（WIMPs）。它们或许还有点状的neutralino（超对称理论预言的中性粒子，比质子重100～500倍）和延展的Q-ball（超夸克或超轻子的集合）等不同类型。 检测这些粒子的实验正在完善中。

根据已有的发现，暗物质可能聚集在我们星系的周围，并像普通的恒星、行星和星际尘埃那样运动。科学家目前的研究认为，暗物质多达宇宙物质的约85%，这意味着我们看到的数以千计的恒星物质只占宇宙总物质质量的约15%。
既然暗物质不能发光发热，我们又如何确认它们呢？

天文学家表示，根据星系的运动，暗物质必然有质量，会受到引力的影响。它们很可能存在于星系的晕轮之中，并且可能是成团的和高密度的。他们自称是在寻找 MACHOs（Massive Astro-physical Compact Halo Objects） ，即晕内大质量高密度天体。

根据爱因斯坦理论，光线在传播途中经过大质量物体的附近，会使光的传播路线发生弯曲，甚至还能计算出光线弯曲程度的大小。这一成果引发了搜寻MACHOs研究者的灵感：如果在星光经过的地方有足够的暗物质存在，那么相关的恒星看起来会更亮一些，这是符合逻辑的。
恒星的光线在传播途中经过一块块暗物质，暗物质的引力会使光线一次次地折弯，这样就使得一些其传播方向不是朝向地球的光线也到达了地球上，恒星看起来就亮得多。这种现象被称为 “引力透镜效应”。

MACHOs研究团队发现，有些实际的观测目标很符合理论预测中的对象，获得了许多很有说服力的暗物质存在的证据。这种由星系团产生的引力透镜效应，只有在很多暗物质存在的情况下才能被解释。现在，暗物质的假设已被学界广泛认可。
虽然迄今也未见到暗物质的真相，天文学家已经在思考暗物质的巨大份量对宇宙演化的影响。我们的宇宙目前正在膨胀中，如果宇宙中有大量的暗物质，那么宇宙或许会重新收缩；而如果暗物质不多，宇宙或许会继续膨胀。这是一个宇宙演化最终归宿的最基本问题。

2015年12月，我国发射了首颗暗物质粒子探测器（Dark Matter Particle Explorer） “悟空号” 科研卫星，致力于寻找暗物质。科学家们将努力 探索 解开暗物质之谜，谜底揭开之日，就是科学跃上新台阶之时。

（谢谢阅读）