宇宙中可能存在暗物质吗？

宇宙中的暗物质真存在吗？~

许多科学人士认为宇宙不仅是由卡尔·萨根所说的“数十亿亿”的星系，而是大量的隐形物质，被称为暗物质。这种奇怪的物质被认为是一种新的亚原子粒子，它不通过电磁相互作用，也没有强核力和弱核力。暗物质在宇宙中的分布也比普通原子的五倍还要多。

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然而现在情况是暗物质的存在还没有得到直接的证实。暗物质仍然是一个假设，尽管它很受支持。任何科学理论都必须作出预测，如果它是正确的，那么你所做的测量应该与预测一致。暗物质也是如此。例如：暗物质理论预言了星系旋转的速度。但是到目前为止，在低质量星系中心的详细暗物质分布的测量与这些预言并不一致有些许差异。
最近的计算改变了这一点，计算有助于解决塔利-费舍尔关系的难题，其中比较明显的还是普通星系的旋转速度的关系。在非常简单的术语中，科学家发现螺旋星系的质量越大（因此更明亮），自旋的速度就越快。
但是如果暗物质存在，星系的“大小”应该不仅由它的可见物质（普通物质）决定，还取决于它所包含的暗物质。应有一方程式来描述暗物质数量的缺失，塔利-费舍尔关系也不应该存在。然而到现在它确实如此，很难想像将这种关系与现有的暗物质理论相协调。
暗物质的起源
第一个迹象，有可能是一个类似暗物质需要回到1932年。荷兰天文学家Jan Oort测量银河系中星星的轨道速度时发现它们移动太快，不能被观察到的星系的质量所解释。
维拉鲁宾和肯特福特发现星系边缘的恒星，如仙女座星系（如下图所示），旅行速度超过预期。暗物质可以帮助解释这些星系旋转差异。

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然而寻找暗物质正式开始近半个世纪之后，在1970年代天文学家 维拉·鲁宾 和仪器制造商的肯特福特测量邻近星系的旋转速度的函数星系的恒星的距离中心。 他们比较标准的测量与预测牛顿引力理论
他们的母星系恒星的轨道近圆形，路径和重力是那些轨道束缚天体的力量。牛顿方程的预测，让天体在一个圆形路径移动力，F（圆形）应等于力在星的重力，F（重力），不然天体会飞到太空中或落在银河系的中心。
靠近星系中心，鲁宾和福特发现，F（圆形）大致等于F（重力），如预期的那样。但远离星系的中心，方程式的两边并不相等。虽然星系和星系的细节各不相同，但他们的观察基本上是普遍的。
如此戏剧性的差异需要解释，在星系中心附近，鲁宾和福特的测量意味着理论是有效的，而在较大的轨道距离上的差异意味着某种东西正在发挥着某种作用，现有的理论无法解释。他们的研究表明，要么我们不理解惯性是如何工作的（例如F（圆形）），要么我们不理解重力是如何工作的（例如F（重力））。第三种可能性是等号是错误的，这意味着方程还没有包含其他的力或效应，这也是唯一的可能。

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图注：当宇宙大约30亿年时，暗物质的分布从星系形成的数值模拟中获得。左面板显示暗物质颗粒的连续分布，而右侧面板突出了用于形成星爆星系的暗物质光环，其最小暗物质光晕质量为太阳的三千亿倍。
解释差异
在鲁宾和福特的研究发表40年之后，科学家已经测试了许多理论来解释他们发现银河系旋转的差异。物理学家米尔格提出了一个修正的惯性称之为“修改牛顿动力学”。他假定：在其最初的形式非常低的加速度下，牛顿的方程F＝ma 便失效了。
其他物理学家提出修改重力定律。爱因斯坦的广义相对论在这里并没有多大用处，因为这个领域，爱因斯坦和牛顿的预言基本上是相同的。而量子重力理论，试图用亚原子粒子来描述重力，不能解释同样的原因。然而有引力理论对与牛顿重力不同的银河系或银河系外尺度进行预测。

宇宙的大部分是由我们看不到的物质所构成的。图片版权：agsandrew / Shutterstock.com
然后有人预测，存在新的自然基本力。这些想法都聚集在名为“第五力”意味着除了引力、电磁力和强、弱核力还有新的力。最后还有暗物质理论：一种根本不与光（电磁辐射）相互作用的物质，却在宇宙中”施加“引力或表现出引力的特性。
如果星系旋转测量是我们所拥有的唯一数据，可能难以在这些不同的理论之间进行选择。毕竟有可能调整每个理论来解释星系旋转问题。但现在有许多不同现象的观察可以帮助确定最合理的理论。
其一是星系团内星系的速度。星系移动得太快，星系团无法保持在一起。另一个观测是来自遥远星系的光。对这些非常遥远的古代星系的观测表明，它们的光经过了附近星系团的引力场而扭曲了。也有对宇宙微波背景辐射非均匀性研究。所有这些测量（还有更多）也必须用或新何新的理论来解释银河系自转速度。
暗物质的未解之谜
暗物理理论在预测这些测量中已经做了很多合理的工作，这就是为什么它在科学界受到重视。但暗物质仍然是一个未经证实的模型。迄今存在的所有证据是间接的。如果暗物质存在，我们应该能够直接观察暗物质通过地球的相互作用，我们可能能够在大粒子加速器（如大型强子对撞机）中产生暗物质。然而这两种方法都没有成功。

大型强子对撞机的复合图像由3D艺术家创建。光束管表示为透明管，反向旋转质子束以红色和蓝色表示。图片版权：Daniel Dominguez / CERN
此外，暗物质应该与所有人预测一致，而不仅仅是许多天文观测。尽管暗物质是迄今为止最成功的模型，但它并不完全成功。暗物质模型的预测，像银河系这样的大星系周围的矮卫星星系比实际探测的要多。尽管发现了更多的矮星系，但与暗物质的预测相比还是太少了。
另一个大的，开放的问题是如何影响星系中的的暗物质及转速的亮度之间的关系。这种关系是第一次在1977年被发现，叫做塔利-费希尔关系，多次表明星系的可见物质与转速密切相关。
暗物质的艰难挑战
塔利-费希尔（Tully Fisher）关系是暗物质模型的一个艰难的挑战。一个星系的旋转是由它所包含的总物质的量。如果暗物质真的存在，那么物质的总量是普通物质和暗物质的总和。
但是现有的暗物质理论预言任何随机星系都可能包含暗物质的较大或更小的部分。因此当测量可见质量时，可能会丢失总质量的一大块。可见质量应该是银河系总质量（因而是旋转速度）的一个很差的预测因子。星系的质量可能与可见（普通）质量相似，或者可能更大。（普通质量即指普通可见物质的质量）
因此没有理由认为可见的（普通物质）质量应该是一个好的星系的旋转速度的预测。然而它是。
事实上在今年发表的一篇论文中，暗物质的怀疑论者用来反驳各种星系的暗物质假说和一个修改版的惯性塔利-费希尔（Tully Fisher）关系的测量。
更适合的暗物质理论
然而在六月发布的一篇论文中，科学家们给出了暗物质模型的显著提升。不仅新作品再现了先前的预测暗物质模型的成功，它也再现了塔利-费希尔（Tully Fisher）关系。
新论文是一个“半分析”模型，这意味着它是分析方程和模拟的组合。它模拟了早期宇宙中暗物质的聚集，可能已经完成了星系形成，但也包括普通物质的相互作用，包括普通物质由于其引力拉动，星形成和加热而被称为另一个天体通过星光和超新星的气体。通过仔细调整参数，研究人员能够更好地匹配预测的塔利-费希尔（Tully Fisher）关系。计算的关键是预测的旋转速度包括了重子与暗物质比例的实际值。
新计算是验证暗物质模型的重要步骤，但是这不是最后的。任何成功的理论都应该同意所有测量。不同意意味着理论或数据是错误的，或至少是不完整的。预测和测量之间的差异仍然存在（例如大卫星周围的小型卫星星系数量），但是这篇新的论文使我们有信心在今后的工作将解决这些剩余的差异
暗物质仍然是宇宙结构的有力预测理论。目前它虽不完整，它需要通过发现实际的暗物质粒子进行验证。所以未来仍然很多有工作要做。（本文所表达并不一定反映学术期刊或出版商或论文的观点）
原作者：Don Lincoln
编译：光量子，审校：博科园

宇宙学中，暗能量是某些人的猜想，指一种充溢空间的、具有负压强的能量。按照相对论，这种负压强在长距离类似于一种反引力。如今，这个猜想是解释宇宙加速膨胀和宇宙中失落物质等问题的一个最流行的方案。
　　几十年前，天文学家埃德温·哈勃发现宇宙中的其它星系似乎都在向着距离我们生活的银河系越来越远的方向移动。而且它们移动的越远，运行的速度就越快。但是，天体物理学家此前曾经指出，地心引力会使得宇宙的膨胀速度逐渐减缓。之后在1998年，两个研究小组通过观察Ia型超新星——一种罕见的恒星爆炸的现象，能够释放出数量巨大的，持久的光——颠覆了天体物理学家提出的理论。
　　今年，一种“宇宙协和”的模型理论提出，不断扩张的宇宙中70％是暗能量。
　　卫星数据和对宇宙多达100万个河外星系的测绘进一步证明了在整个宇宙中存在暗物质和暗能量，正是它们“主宰”着宇宙的扩张。
　　今年2月，“威尔金森各向异动探测器”卫星摄下了到目前为止最详细的宇宙微波背景图。
　　同时，一个名为斯隆数码天空调查（ＳＤＳＳ）的研究小组今年7月发表一份研究论文，把他们取得的观测数据重叠在微波数据之上。他们声称，其结果显示暗能量一定存在。
　　但是《科学》杂志说，专家们至今仍然不清楚暗能量是如何产生的。五年前，天文学家们发现宇宙不但在扩大，而且以一种永远的加速度使宇宙扩张，这个发现激发人们深入研究暗能量。
　　精神病基因的发现今年位居第二，这里的精神病基因指的是可能增加精神分裂症、抑郁症和两极障碍的基因。
　　而有关全球气候变暖证据的研究则位居第三，《科学》杂志的总编肯尼迪说，“对全球气候变暖的共识达到了无可辩驳的地步。”（中）
　　2003年十大科学突破
　　新闻链接
　　美国《科学》杂志18日公布的2003年度十大科技突破分别如下：
　　1．发现宇宙主要由神秘的暗物质和暗能量组成。
　　2．揭开精神病产生机理。
　　3．发现全球变暖影响地球及其生物的新证据。
　　4．在进一步研究小核糖核酸如何协调细胞习性以及探索如何利用小核糖核酸的对付疾病取得的进展。
　　5．捕捉到细胞内部单个分子的多种活动情况以及对运动中的分子马达以及正在消化ＤＮＡ的单个酶等进行的观察。
　　6．证实宇宙伽马射线爆发与超新星之间存在联系。
　　7．发现鼠的胚胎干细胞在培养皿中既能发育成精子也能发育成卵子。
　　8．证实特定介质能使光和其他电磁波以负折射率偏转。
　　9．通过基因测序发现人类Ｙ染色体包含大量重复基因，这些基因以“回文”结构排列，有修复基因突变的作用。
　　10．对“饿死肿瘤”研究获得的新进展，发现一种抑制肿瘤血管生长的药物与传统化疗药物结合，可延长结肠癌患者存活期。　综合图：
　　美国《科学》杂志12月18日的封面示意宇宙不断扩张
　　爱因斯坦的广义相对论做出过暗能量的假设。据推测，神秘的暗能量可能构成了宇宙中绝大多数不可见的部分，它能够产生与引力相反的排斥力。暗能量至今仍是一个科学假设，还没有直接证据表明其确实存在。
　　日本理化研究所近日发布新闻公报说，日本理化研究所的稻田直久和美国斯坦福大学的大栗真宗共同领导的研究小组，观测了宇宙空间中约2．3万个类星体，以求找到受“引力透镜效应”影响的类星体。
　　所谓“引力透镜效应”，就是当光波、电波等在星系、星系团、黑洞等具有巨大引力的天体附近通过时，这些波会像通过凸透镜一样发生弯曲，最终在地球观测结果中出现两个以上的“虚像”。
　　此次观测到的受“引力透镜效应”影响的类星体数目非常多，科学家们认为，这也许只有暗能量才能解释。他们的进一步分析表明，在假设暗能量占到宇宙成分的70％时，理论计算与实际观测的结果最为吻合。
　　暗物质和暗能量是世纪谜题
　　21世纪初科学最大的谜是暗物质和暗能量。它们的存在，向全世界年轻的科学家提出了挑战。 暗物质存在于人类已知的物质之外，人们目前知道它的存在，但不知道它是什么，它的构成也和人类已知的物质不同。在宇宙中，暗物质的能量是人类已知物质的能量的5倍以上。
　　暗能量更是奇怪，以人类已知的核反应为例，反应前后的物质有少量的质量差，这个差异转化成了巨大的能量。暗能量却可以使物质的质量全部消失，完全转化为能量。宇宙中的暗能量是已知物质能量的14倍以上。
　　宇宙之外可能有很多宇宙
　　围绕暗物质和暗能量，李政道阐述了他最近发表文章探讨的观点。他提出“天外有天”，指出“因为暗能量，我们的宇宙之外可能有很多的宇宙”，“我们的宇宙在加速地膨胀”且“核能也许可以和宇宙中的暗能量相变相连”。
　　暗物质是谁最先发现的呢？
　　1915年，爱因斯坦根据他的相对论得出推论：宇宙的形状取决于宇宙质量的多少。他认为，宇宙是有限封闭的。如果是这样，宇宙中物质的平均密度必须达到每立方厘米5×10的负30次方克。但是，迄今可观测到的宇宙的密度，却比这个值小100倍。也就是说，宇宙中的大多数物质“失踪”了，科学家将这种“失踪”的物质叫“暗物质”。
　　一些星体演化到一定阶段，温度降得很低，已经不能再输出任何可以观测的电磁信号，不可能被直接观测到，这样的星体就会表现为暗物质。这类暗物质可以称为重子物质的暗物质。
　　还有另一类暗物质，它的构成成分是一些带中性的有静止质量的稳定粒子。这类粒子组成的星体或星际物质，不会放出 或吸收电磁信号。这类暗物质可以称为非重子物质的暗物质。
　　Abell 2390星系团(上半图)和MS2137.3-2353星系团(下半图)，距离我们约有20亿光年远。上图右半方的影像，是哈勃太空望远镜所拍摄的假色照片，而相对应的左半方影像，是由钱卓拉X射线观测站所拍摄的X射线影像。虽然哈勃望远镜的影像中，可以看到数量众多的星系，但在X射线影像里，这些星系的踪影却无处可寻，只见到一团温度有数百万度，而且会辐射出X射线的炽热星系团云气。除了表面上的差异外，这些观测其实还含有更重大的谜团呢。因为右方影像中星系的总质量加上左方云气的质量，它们所产生的重力，并不足以让这团炽热云气乖乖地留在星系团之内。事实上再怎么细算，这些质量只有“必要质量”的百分之十三而已！在右方哈伯望远镜的深场影像里，重力透镜效应影像也指出造成这些幻像所需要的质量，大于哈勃望远镜和钱卓拉观测站所直接看到的。天文学家认为，星系团内大部分的物质，是连这些灵敏的太空望远镜也看不到的“ 暗物质”。
　　1930年初，瑞士天文学家兹威基发表了一个惊人结果：在星系团中，看得见的星系只占总质量的1/300以下，而99%以上的质量是看不见的。不过，兹威基的结果许多人并不相信。直到1978年才出现第一个令人信服的证据，这就是测量物体围绕星系转动的速度。我们知道，根据人造卫星运行的速度和高度，就可以测出地球的总质量。根据地球绕太阳运行的速度和地球与太阳的距离，就可以测出太阳的总质量。同理，根据物体（星体或气团）围绕星系运行的速度和该物体距星系中心的距离，就可以估算出星系范围内的总质量。这样计算的结果发现，星系的总质量远大于星系中可见星体的质量总和。结论似乎只能是：星系里必有看不见的暗物质。那么，暗物质有多少呢？根据推算，暗物质占宇宙物质总量的20—30%才合适。
　　天文学的观测表明，宇宙中有大量的暗物质，特别是存在大量的非重子物质的暗物质。据天文学观测估计，宇宙的总质量中，重子物质约占2%，也就是说，宇宙中可观测到的各种星际物质、星体、恒星、星团、星云、类星体、星系等的总和只占宇宙总质量的2%，98%的物质还没有被直接观测到。在宇宙中非重子物质的暗物质当中，冷暗物质约占70%，热暗物质约占30%。
　　标准模型给出的62种粒子中，能够稳定地独立存在的粒子只有12种，它们是电子、正电子、质子、反质子、光子、3种中微子、3种反中微子和引力子。这12种稳定粒子中，电子、正电子、质子、反质子是带电的，不能是暗物质粒子，光子和引力子的静止质量是零，也不能是暗物质粒子。因此，在标准模型给出的62种粒子中，有可能是暗物质粒子的只有3种中微子和3种反中微子。
　　20世纪80年代初期，美国天文学家艾伦森发现，距我们30万光年的天龙座矮星系中，许多碳星(巨大的红星)周围存在着稳定的暗物质，即这些暗物质受到严格的束缚。高能热粒子和能量适中的暖粒子是难以束缚住的，它们会到处乱窜，只有运行很慢的“冷粒子”才能束缚住。物理学家认为那是“轴子”，它是一种非常稳定的冷“微子，质量只有电子质量的数百万分之一。这就是暗物质的轴子模型。
　　轴子模型是否成立，最终得由实验裁决。最近，还有人提出，暗物质可能是一种称做“宇宙弦”的弦状物质，它产生于大爆炸后的一秒期间内，直径为1万亿亿亿分之一厘米，质量密度大得惊人，每寸长约1亿亿吨。这种理论是否成立，同样有待科学家进一步研究。
　　为探索暗物质的秘密，世界各国的粒子物理学家正在这个领域努力工作，相信揭开暗物质神秘面纱的那一天不会太遥远了。

存在
英国科学家最近指出，人类所能观测到的那些色彩绚丽的壮丽星系可能只占宇宙的一小部分，宇宙中还存在大量看不见的“影子星系”，它们基本上由暗物质构成，恒星和星际尘云的含量极少甚至没有。
　　英国皇家天文学会发表的新闻公报说，剑桥大学的3位天文学家认为，宇宙中暗星系与普通可见星系的数量比例可能高达100比1。他们还根据天文观测指出，一个名叫UGC10214的星系附近可能存在着一个这样的暗星系。
　　科学界已经发现，宇宙中约有90%的物质以看不见的“暗物质”形式存在，它们在电磁波谱的各个波段都是不可见的，普通可见星系中就有大量的暗物质。剑桥大学的科学家说，除此之外，应当还存在许多完全由暗物质构成的暗星系。
　　科学家说，根据广义相对论，光线在经过巨大质量的天体附近时会发生弯曲，如果一个暗星系全都由基本粒子构成，它将能起到引力透镜的作用，使遥远可见星系的光芒发生扭曲，观察这种引力透镜效果将能探测到暗星系的存在。
　　科学家指出，他们发现UGC10214星系里存在一股向外流的物质流，仿佛受到附近一个大质量天体的强烈引力作用，但是天文学家在这股物质流所流向的终点却什么也没有观察到，这意味着那里可能存在一个暗物质组成的星系。

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