如何看到暗物质？星系相撞将暗物质分离，科学家观测到引力证据

暗物质是什麼型状？能看到吗？~

在宇宙学中，暗物质是指那些不发射任何光和电磁辐射的物质。目前人们只能通过引力产生的效应得知宇宙中存在有大量的暗物质。暗物质存在的最早的证据来源于对球状星系旋转速度的观测。现代天文学通过引力透镜、宇宙中大尺度结构形成以及微波背景辐射等研究表明：我们目前所认知的部分大约只占宇宙的4％，暗物质则占了宇宙的23%，还有73%则是一种导致宇宙加速膨胀的暗能量。暗物质的存在可以解决大爆炸理论中的不自洽性，对结构形成也非常关键。暗物质很有可能是一种（或几种）粒子物理标准模型以外的新粒子。对暗物质和暗能量的研究是现代宇宙学和粒子物理的重要课题。虽然暗物质在宇宙中大量存在是一个普遍承认的看法，但是科学家们发现漩涡星系NGC 4736的旋转能完全依靠可见物质的引力来解释，也就是说这个星系没有暗物质或者暗物质很少。黑暗物质存在的证据最早提出证据并推断暗物质存在的科学家是美国加州工学院的瑞士天文学家弗里茨·兹威基。2006年，美国天文学家利用钱德拉X射线望远镜对星系团1E 0657-56进行观测，无意间观测到星系碰撞的过程，星系团碰撞威力之猛，使得黑暗物质与正常物质分开，因此发现了暗物质存在的直接证据。黑暗物质的组成及理论模型星系转动曲线、引力透镜、结构形成、星系团中重子成分和结合星系团丰度与重子密度证据表明了宇宙中85-90%的质量不带有电磁相互作用。这些暗物质只通过引力作用而显现它们的存在。以下是人们提出的一些不同类型的暗物质：热暗物质温暗物质冷暗物质重子暗物质在众多可能是组成暗物质的成分中，最热门的要属一种被称为大质量弱相互作用粒子（英文叫做Weakly Interacting Massive Particle，简称WIMP）的新粒子了。这种粒子与普通物质的作用非常微弱，以致于他们虽然存在于我们周围，却从来没有被探测到过。还有一种被理论物理学家提出来解决强相互作用中CP问题，被称为轴子（Axion）的新粒子，也很有可能是暗物质的成分之一。惰性中微子（sterile neutrino）也有可能是组成暗物质的一种成分。暗物质的探测 暗物质的探测在当代粒子物理及天体物理领域是一个很热门的研究领域。对于大质量弱相互作用粒子来说，物理学家可能通过放置在地下实验室，背景信号减少到极低的探测器直接探测WIMP，也可以通过地面或太空望远镜对这种粒子在星系中心，太阳中心或者地球中心湮灭产生的其他粒子来间接探测大质量弱相互作用粒子。人们也希望欧洲大型强子对撞器或者未来的国际直线加速器中人工创造出这些新粒子来。

暗物质是宇宙中理论上存在的一种不可见物质，可能是宇宙物质的的主要组成部分，但并不是构成可见天体的任何一种目前已知的物质。
1922年，天文学家卡普坦最先提出“暗物质”可能存在的说法，但当时没有证据证明暗物质的存在。人们对暗物质的起源以及其他等等都是了解也不多。但是研究，不过暗物质仍是目前物理学和天体物理学一直无法解决的谜团。


暗物质有可能是宇宙物质的主要组成部分，科学家通过推算暗物质和暗能量占有宇宙总质量的大部分，它比宇宙中所有可以看到的星系，星团，恒星，各种行星加起来的总质量还要多。而我们想要探索宇宙，暗物质显然是必须面对的一个问题，接下来我们来谈论一下关于暗物质的事。
暗物质是怎么被发现的？尽管到目前为止，科学家仍然没有关于暗物质的直接观测证据，但已经发现了大量的间接证据可以表明暗物质的存在。
一、星系自转曲线的矛盾
按照牛顿的经典力学来分析，在一个星系当中，更靠近质心的恒星，其运动的速度应该是大于外层的恒星的，因为越靠近中心，就越需要更大的速度来克服引力的吸引。


然而在1959年，美国的天文学家薇拉·鲁宾在观测螺旋星系M33时，发现了它的转动不遵循牛顿力学，理论上讲，星系的自转曲线应该符合下图中的虚线：距离中心天体的距离越远，平均轨道速度应该会按照质量的分布进行递减。
而实际观测到的数据则是图中的实线，这就说明：内层的恒星运动速度和外层的运动速度几乎是一致的。


这也意味着星系的实际质量或许远比我们看到的要多，于是她和她的同事推测：
星系的大部分质量或许存在于暗物质当中，并且暗物质存在的范围要远远大于星系最外层的可见部分。
二、对星系和星系团质量的观测
在天文方面，科学家通常会使用三种方法来计算得出星系的总质量。


一种是根据观测星系的运动，通过对引力的计算得出，其次是根据广义相对论中的引力透镜效应，根据光线的弯折程度推算出星系团的质量分布。最后是通过观测星系团放射出的X-射线来推测。
这里顺便解释一下引力透镜效应由于大质量天体附近时空会发生扭曲，这样就使得光线经过这些大质量天体附近时会发生弯曲。观察者在合适的观测点就会观测到由于光线弯曲而形成的一个或多个像，这就被称之为引力透镜现象。


引力透镜现象是天体物理中最重要的一种研究工具，通过引力透镜效应的观测就可以间接推算出宇宙空间中暗物质的分布情况，所以在宇宙学暗物质发挥着巨大的作用。
然而无论是哪一种方法，所计算出的星系质量都要远大于可观测的物质总质量。也就是说，星系的质量不仅包括可见物质，还包括更大一部分的不可见物质，后来人们也把这种不可见的物质叫做暗物质。
三、宇宙微波背景
宇宙微波背景辐射（简称CMB）是宇宙早期发展所遗留下来的辐射，它能很好的解释宇宙的形成，而且是测量宇宙学的关键。
科学家通过对宇宙微波背景辐射的各向异性观测发现，也再次表明暗物质对宇宙的总能量贡献出了26.8%，同时还发现物质在本不应该的情况下进行了坍塌，而这正是由于暗物质大量聚集的结果，这也再次间接的印证了暗物质的存在。


以上的种种迹象，使得科学家必须假设暗物质的存在，才能够合理的解释：正是因为暗物质的存在为星系提供了额外的引力，尽管我们观测不到它，但是它确实存在。
暗物质有什么属性？虽然科学家已经对暗物质进行了大量的观测和研究，却对它的内部结构没有全面的了解。人类对宇宙进行观测的方法无非就是电磁波，而电磁波检测不到暗物质，那也就是说暗物质并不参与电磁作用。最后科学家总结出了目前已知的几种属性：
1.暗物质有质量，因为他参加了引力的相互作用
1.暗物质基本不参与电磁的相互作用和强相互作用
3.暗物质的运动速度远远低于光速。


而关于暗物质的组成科学界也有多种说法。大致可以分为三种类型：冷暗物质、热暗物质、温暗物质。需要注意这里的冷热并不代表粒子的温度上，而是指粒子的运动速度。
冷暗物质：在经典速度之下运动的粒子。
温暗物质：粒子运动速度已经足以产生相对论效应。
热暗物质：粒子速度接近光速运动。

冷暗物质
由于冷暗物质被讨论的最多，也更偏向主流的说法，这里就着重讲一下冷暗物质。目前最主流的说法是“大质量弱相互作用粒子”（英文叫做Weakly Interacting Massive Particle，简称WIMP）这种粒子是人们没有探测到过的一种新粒子，属于冷暗物质的一种，粒子呈电中性，想要寻找这种粒子，目前只能通过使用粒子加速器和高灵敏度的探测器来寻找。


还有一种主流说法是大质量致密晕天体（MACHO，Massive Compact Halo Objects），比如黑洞、中子星以及白矮星或者不发光的星系等等。这时候我们可以设想一下，如果暗物质真的像黑洞或者中子星一样的天体，我们可能早就被充满宇宙的暗物质给吞噬掉了，所以这种说法我们也不需要在讨论了。
关于冷暗物质，我们知道它移动非常缓慢，并且不发生相互作用，所以暗物质存在于整个宇宙，甚至在地球上，从我们的身体当中穿过，我们也依然无法感觉到。

被暗物质包围的地球
暗物质的存在对宇宙有什么影响？实际上暗物质的更直接的作用是体现在星系和星系团中的。正是因为暗物质和星系中可见物质的共同作用下，星系才能紧紧的聚集在一起，所以说星系的形成是离不开暗物质的帮助的。
在暗物质的理论下，很多无法理解的现象都成功的得到了解释。
关于暗物质如果想了解更多的知识，可以尝试在头条主页上方的搜索栏中输入暗物质进行搜索，就可以看到关于暗物质的百科啦。


结语科学家通过长期以来的观测和推断，再加上种种现象似乎都在告诉我们：暗物质是存在的，而我们需要做的就是找出暗物质存在的直接证据。暗物质对星系的形成有着重要的帮助，正是因为在暗物质的引力作用下，星系得聚集到一起。

“多年来，人们的预期和观察结果之间的差距越来越大，我们正努力填补这一差距。”——耶利米·奥萨特

　　在我们看来，宇宙中除了以正常物质（质子、中子和电子）构成的星系以外什么都没有了。而这些星系可以分为两大类：螺旋星系和巨型椭圆星系。我们可以观察到的东西，我们会切实的认为这些东西存在，而我们看不见、摸不着的东西就很难相信其真实的存在，例如暗物质。我们听了太多的理论都认为暗物质存在，所以你可能想知道，我们到底没有“观测”到它，哪怕是间接的观测到暗物质切实存在的证据！有，还真的有，今天我们说下，我们“看到的”暗物质。

　　我们还是先说理论部分如何证明其存在

　　宇宙中的星系，虽说在结构上不同，但这些星系都是由大量的恒星组成的，在我们的银河系中有数千亿颗恒星，而最大的椭圆星系中往往是数万亿颗恒星。

　　并且我们现在已经很清楚恒星是如何发光发热的，以及它们的亮度、颜色、光谱和其他内在属性是如何相互关联的，这样我们就可以通过测量星系的光度，来确定某个星系中有多少质量以恒星的形式存在。这个方法就是通过星系的光速来确定星系的质量。

　　如果一个星系的整个星系盘是直接面向我们的，就像上图的风车星系，那么我们就无法测量恒星在其中移动速度。因为我们测量恒星速度时测量的是径向速度或称为视向速度。即物体或天体在观察者视线方向的运动速度。

　　我们都知道恒星在星系中的运动遵循着众所周知的万有引力定律。如果我们能测量恒星移动的速度，就可以推断出星系里面有多少质量。这个方法是通过引力和恒星运动来确定星系质量的。

　　在宇宙中大多数星系不是直接面向我们的，都和我们的视线存在一个角度，这样我们就可以测量星系内部恒星的旋转速度。

　　不管是通过星系光度和引力所测量出的质量差，还是星系的实际旋转情况，都预示着星系内部除了我们常见的正常物质还有其他类型的质量存在，这样才能解释我们看到的运动。这个问题有两个合理的潜在解决方案：

　　引力定律是有问题，需要在比太阳系更大的尺度上做出修改。

　　我们对物质的理解不完整，必须有一种新的物质来解释我们所观察到的现象。

　　这两种可能性中的后一种就是我们现在熟知的，质量确实问题，也就是暗物质的概念。

　　当然，人们也想到了，这些“暗物质”可能只是普通物质（质子、中子和电子），只是它们不发出可见光而已。行星，你、我，尘埃，气体，甚至离子化的等离子体都是“正常物质”，本身不发射任何可见光。

　　但是我们在所有不同的波段下观察了星系，以及我们所知道的所有其他质量信号（如微透镜、吸收线、黑洞的特征等），我们发现没有足够的质量信息来解释缺失的质量

　　还有，如果我们观察星系的引力透镜效应，即有多少光被前景星系弯曲、放大和扭曲，我们就可以推断出星系中存在的质量总量。

　　根据星系的引力透镜效应我们还是会发现质量不匹配的情况存在，我们所测量的每一个星系的总质量比所有正常物质所能解释的质量都要大得多。

　　我们通过引力透镜间接看到的暗物质

　　在原则上，不管理论告诉我们什么，其可能的解释也有可能是我们把万有引力定律搞错。所以我们需要做一个实验来测试是否有办法可以将正常物质从暗物质中分离出来。这听起来有点不太可能，但每隔一段时间，宇宙都会给我们提供一个理想的实验场所，两个巨大的物体会以极高的速度相互碰撞。

　　想象一下，在这两个物体中都有暗物质（蓝色部分）和正常物质（红色部分）。当它们碰撞时，普通物质就像你的手在碰撞时“啪”的一声合在一起，会相互作用，升温、耗散能量并减慢速度。但是暗物质不会相互作用（除了引力作用），所以暗物质只会直接穿过对方到达另一边。

　　加热后的气体会发射x射线，x射线的位置会显示出正常物质（不是恒星形式的物质）的位置。

　　为什么不是恒星呢？

　　我们可以将恒星、气体和暗物质想象成以下几种物体，让这些物体互相对射：

　　恒星为鸟枪

　　气体为泡沫，和

　　暗物质为一些永远不会碰撞的新物质，

　　现在互相射击。几乎所有情况下，鸟枪的弹丸都会互相错过。在罕见的情况下，可能会发生碰撞，意思就是星系相撞时，恒星基本不会碰撞，这得益于广阔的星际空间。另一方面，如果射正了，泡沫就会互相碰撞。而这些新材料总是会直接通过彼此。

　　那么我们怎么知道这种新型材料是否真的存在呢？

　　我们可以利用引力透镜现象！虽然我们没有一个超致密的团块来获得比较大的透镜弧线，但仍然可以得到微弱的引力透镜，它会将背景光源（比如星系）的光线扭曲成特定的椭圆模式。

　　这些微引力透镜既可以告诉我们星系内的总质量，也能告诉我们它所处的位置，并且我们已经成功地用微透镜效应绘制了各种星系和星系团的质量。

　　事实上，我们已经在宇宙中发现了相当数量的巨型结构（星系团），它们正处于高速的碰撞过程中。一些星系团刚刚经历了碰撞，而另一些则处于碰撞的后期阶段，已经稳定了下来，进入一个更平衡的状态。我们就可以在这些碰撞的星系团中获得：光学上的恒星图像（鸟枪弹丸)，粉红色的气体x射线图像（泡沫），蓝色的暗物质质量重建图像（非碰撞物质）。

　　上图为第一个被人们发现碰撞星团：子弹星团，时间是在2006年，它显示出暗物质与x射线的明显分离。也就是蓝色和红色部分。

　　还有Abell 520，显示了碰撞后的晚期阶段。

　　还有Musket Ball Cluster，这是一个非常高速的碰撞，同时也显示了x射线和暗物质的巨大分离。

　　还有两个碰撞星团，即MACS J0025.4-1222（上图）和MACSJ0717（下图）。

　　以上的都是巨大的物质集合！都是星系团级别的碰撞。如果我们可以让一个星系与另一个星系碰撞，能观察到正常物质和暗物质的分离证据吗?

　　这个要求有点太高了，因为星系质量很小透镜的信号几乎是察觉不到。但是宇宙还是很仁慈地，给了我们两个非常非常小的星系群之间的碰撞，这两个星系群没有我们的本星系群大，里面包含了40到50个小的矮星系（如果它们加起来质量比仙女座星系还小)，它们以非常高的速度发生了相互碰撞。

　　它被命名为SL2S J08544-0121。通过可见光、X射线成像和大规模的引力重建，第一次显示了正常物质和暗物质在小结构中所处的位置之间的巨大差异！

　　总结：我们确实“看到了”暗物质

　　所以我们仅仅通过改变引力方程是无法解释这些观测结果的；无论我们对引力做出怎样的修改，宇宙都需要暗物质的存在。我们不仅有理论证明暗物质存在于巨大的星系团中，而且我们在一个非常小的星系团中也间接的发现了暗物质的存在。

我们正常的视力是无法看到暗物质的，只能借助一些工具。

普通人很难看到暗物质的，都是科学家们通过借助各种仪器来观察。

暗物质并不是我们可以看得到的，它只是科学家对于现象的一种推测，并且根据这种推测来进行各种运算之后才得到的。

这个主要是通过科学家们经过不断的研究，不断的对一直星系的观察，推断出来各种数据，以此来判断暗物质的存在。

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如何看到暗物质？星系相撞将暗物质分离，科学家观测到引力证据视频