|
主答： 陈昱光 （答主不持有以下多数图片的版权，侵删） 简单来说，暗物质表现的更像普通可观测到的物质，贡献引力；暗能量则与日常物质大相径庭，贡献斥力。 一. 暗物质 暗物质的发现来源于1970年左右Vera Rubin（薇拉 鲁宾）对银河系邻居仙女座大星系（M31）的星系旋转曲线的测量。她测量距离星系中心不同半径处物质的旋转速度，得到如下的图。横坐标是距离星系中心的距离，纵坐标是旋转速度。如果知道了星系的质量分布，速度与距离的关系就可以用开普勒定律求出来（红线）。至于质量分布是怎么求？原理是，通过测量光的分布，然后猜测一些星系的年龄和恒星形成率，从而通过算出得到一个相对靠谱的光度/质量比。所以求质量分布时首先已经假设了所有物质会按一定比例发光。有很多人说，如果不会发光的就是暗物质，那么像地球行星这些不会发光只会反射光的是不是也是暗物质？事实上，这些物质相对于恒星的占比是很小的，在具体计算中也基本上考虑进去了。然而测量结果（白线）令人大跌眼镜，在星系外围的绕转速度比计算得到的要快很多。
这说明了星系里有很多质量是看不见的，因为V∝(GM/r)1/2，想要支撑这么大的速度需要更多的质量。当然，你可以用其它原因来解释。天文学家们也不傻，当时发现了以后，大家立刻想出了很多解释，比如外围的物质因为某些原因并不能有效形成恒星，所以不发光；或者干脆说你这玩意测错了，也许你把背景的一些不属于这个星系的物质测进来了。但是，事后的结果越发“不正常”，最终起名为“暗物质”。人们发现这些不会发光的物质的物理性质与能发光的正常物质相差太大。 现在测量暗物质并不需要星系旋转曲线这种“愚蠢”的办法了。一种比较好的办法是通过引力透镜，因为光线通过大质量天体时会发生弯曲。
天文学家仔细看图里哪里有被引力透镜弯曲了的背景星系，就可以判定前景星系的质量分布。通过类似的观测，人们发现了很多像下面这个比较著名的例子，Bullet Cluster（子弹群）：
现在一般认为，暗物质粒子之间，或暗物质与正常物质之间的相互作用非常微弱。除了引力相互作用以外，只能进行弱相互作用。同时，根据暗物质粒子的可能的运动速度，人们将暗物质粒子分类为热暗物质（Hot Dark Matter，HDM，粒子运动速度接近光速），冷暗物质（Cold Dark Matter，CDM，粒子运动速度远小于光速）和温暗物质（Warm Dark Matter，WDM，速度居中）。通过计算机模拟，天文学家现在认为，组成宇宙中暗物质的主要成分应该为冷暗物质。但是冷暗物质模型也存在一些疑难，比如冷暗物质预言的银河系伴星系明显多于现在已知的伴星系。暗物质也吸引了很多粒子物理学家，例如华裔诺贝尔物理学奖得主丁肇中，就在国际空间站放了一个实验仪器（阿尔法磁谱仪），用来直接探测暗物质粒子。人们还知道，暗物质所占宇宙中的质量要比正常物质多得多，宇宙尺度上有关引力相互作用的事件都是暗物质主导的，包括星系的形成和并合。 总的来说，对于暗物质的性质，人们目前认识的比较多，也有一些暗物质粒子的候选体。因此，很多物理学家认为，直接探测到暗物质粒子，并且确认其物理组成只是时间问题。 二. 暗能量 相比于暗物质，人们对这种与我们熟悉的物质的表现大相径庭的物质——暗能量，则知之甚少。 暗能量与2011年诺贝尔物理学奖息息相关。它的发现主要起源于Adam Riess在1998年用超新星发现的宇宙在加速膨胀的事实。（诺奖授予了Adam Riess, Brian Schmidt和Saul Perlmutter三人，但由于历史原因，Adam Riess和Saul Perlmutter谁第一个发现存在争议）。 大致来说，更遥远的宇宙意味着更古老的宇宙，因为光的传播需要时间。同时，更遥远的宇宙远离我们运动的速度越快（也就有更大的红移），因为宇宙在膨胀。这可以用大名鼎鼎的哈勃定律来表示：v＝H0D 。下图就是哈勃当年发的paper（纸）里的图。纵坐标是速度，横坐标是距离，每个点代表一个星系。  但是，由于宇宙物质的相互作用，这个膨胀速度会不断改变，我们测的结果会不再是哈勃定律的简单线性关系，而是变成了下图这个样子。
横轴是红移（与速度直接相关）；纵轴是等效亮度（与距离直接相关）；蓝色虚线和黑色实线是几种宇宙模型。细节并不重要，让人惊诧的是，从上往下第三根蓝线是人们最容易预料的，也就是宇宙里所有物质都贡献引力，于是宇宙在减速膨胀。然而通过Ia型超新星测量出来的数据点却并不支持这样的宇宙。测量数据倒是倾向于一个加速膨胀的宇宙。也就是说，宇宙中占主导的并不是物质之间的引力，而是一种莫名其妙的向外的压力。人们将这种压力的来源称之为暗能量。 当然，天文学家还是不傻。很多人提出了很多可能不引入暗能量这一概念来解释这一现象。比如用Ia型超新星测量距离要依赖于它一个性质。那就是Ia型超新星爆发之后亮度会逐渐变暗。其亮度变暗的速度与其亮度峰值时的光度（也就是发出来的所有光的能量）有线性关系。因此知道了几个Ia型超新星的光度，在比较这些值与我们看到的亮度，就可以知道它们的距离。下图给出了几个Ia型超新星的光变曲线。纵轴是光度，横轴是时间。可以明显的看到Ia型超新星变暗的速度越快（斜率越大），它们的光度就越小。
但是人们当时会吐槽，这样的线性关系实际上是基于观测的，人们并不十分知道是什么原因导致了这样的关系，也就不知道这个性质在遥远的宇宙是否会发生变化。不过后来，人们除了使用Ia型超新星这一种办法，还用了宇宙微波背景辐射（CMB），重子声波震荡（BAO）等方法，分别独立的确认了暗能量的存在，并且给出了类似的暗能量密度数值。 暗能量具有什么性质，在空间中的分布是不是均匀的，还是存在什么样的结构实际上并不十分清楚。因此也就更难讨论暗能量的物理起源。目前我知道的从天文上能做的（非我领域，不知道有没有更新），就是引入爱因斯坦常数，然后确定它的值现在有多大。爱因斯坦常数就是爱因斯坦当年拿他的广义相对论算宇宙演化，然后算着算着发现不对，因为他算出来宇宙的尺度不能是不变的。这与当时人们认为的静态宇宙观不符，于是就只好在方程里放进一个常数，使得宇宙既不膨胀也不收缩。这样一来，宇宙的尺度虽然不变了，但是人们很快发现这个平衡是不稳定平衡，因为只要值稍微变化一点，宇宙就会不可逆转的膨胀或者收缩下去。哈勃定律的发现，让人们知道，宇宙学常数的引入是爱因斯坦的一个错误。有趣的是，暗能量的发现又让人们重新拾起这个常数，用它来制造一个可以加速膨胀的宇宙。 在可以预见的未来，暗能量的物理起源似乎还没有头绪。但是讨论它的具体性质，比如  ）主导，其次是冷暗物质（CDM），再次才是我们平常可见、可触摸到的正常物质。也就是说宇宙中绝大部分还是我们不能充分了解的东西。而 这样的缩写，也代表了现代标准的宇宙学模型。 |
|
|
