什么是暗物质？如何发现暗物质？为何它越来越“有名”？

暗物质是现代天体物理学最大的奥秘之一，它最近在新闻中经常出现。本文将会为您解释它是什么以及它为何如此难以找到。

如果我告诉你，你和我熟悉的物质形式——这些物质构成了我们，我们的家园，我们的宠物，我们的地球——但这些物质却只占宇宙重量不到5％，你会感觉怎么样？事实上，另一种神秘的物质形式占主导地位，尽管几十年来科学家们一直在寻找它，但不仅天体物理学家从未发现它，我们甚至都不知道它到底是什么。

你相信我吗？

暗物质是现代天体物理学中最神秘的事物之一，但你不必一定要接受我说的。这个难以捉摸的神秘事件不仅是一个引人入胜的话题，而且对暗物质的探索也是科学家如何应对尚未解决问题的一个很好的例子。我们生活在暗物质研究的最佳时期，这些研究似乎能够起到直接指引的作用

在这一集中，我们将探讨我们如何知道暗物质的存在以及为什么最近它频繁成为焦点。

暗物质的定义

天体物理学家知道暗物质必须无处不在，但我们还不知道它的成分。它不与我们能够理解的和会发出辐射的“正常”物质相互作用，因此望远镜无法观察到它。 因此我们称之为“黑暗”。

我们已经确定宇宙为26.8％的暗物质，4.9％的正常物质（组成了你和我的物质），68.3％的物质称为暗能量。这种分解是基于从威尔金森微波各向异性探测器和最近的普朗克望远镜在整个天空收集的数据。

我们是如何知道暗物质的存在呢？

尽管我们不确定是什么构成暗物质，但我们仍然非常确定它的存在。

怎么会这样？ 其实即使我们不能直接检测到暗物质，但也有很多关于它存在的间接证据。

首先，让我们思考一下拥有间接证据意味着什么。如果你去我家看看，即使你没有看到她，你也会怀疑一个小孩住在那里。因为你会看到地板上乱扔的玩具和柜台上的吸管杯。当然，这个证据是间接的——也许我喜欢用塑料锤敲打并在出门时喝酒呢？

然而，如果不用蹒跚学步就无法解释的证据可能是整个窗户和电视上的小孩手指的污迹。如果没有确切的看到一个孩子，你仍然没有直接证据证明她的存在，但这些指纹很难以其他任何方式产生。

在20世纪70年代，天文学家维拉鲁宾是第一个进行测量的人，这些测量提供了暗物质存在的间接证据，同时她将测量的数据与暗物质联系起来作为它存在的原因。她观察跟踪了螺旋星系内恒星运行的速度。

正如我们在前一集中所讨论的那样，轨道上的物体正在以恰当的速度移动。例如，如果月球在它围绕地球的轨道上以某种方式减速，则地球的引力会导致月球向内倾斜。如果月亮反而要加速，那么与它运动相关的力将会超过地球的引力，使月球会飞向太空。

相同的力量平衡决定了地球的轨道以及太阳的轨道和银河系中心的其他恒星的轨道。恒星用来保持它能呆在轨道运转的速度取决于重力的强度，这种力量将其拉向其星系的中心，从而决定了该星系的巨大程度。

维拉鲁宾追踪了恒星在螺旋星系边缘的运动，并确定每个星系中必须有多少物质才能让这些恒星在它们的轨道上运行。然后，她将在每个星系中的所有已知的“正常”物质（气体，尘埃和恒星）加起来，发现还远远达不到要求。

因此必须存在一种神秘物质，这种物质不能通过任何类型的发射来检测到，如星光，但可以通过其引力影响间接被观察到。

为什么暗物质总是成为头条？

自20世纪70年代以来，天文学家已发现很多能够证明暗物质存在的其他形式的间接证据，包括非螺旋星系中恒星的速度，星系团中的星系运动，以及大爆炸余辉的观测，他们称为宇宙微波背景辐射。

但是当谈到维拉鲁宾研究的螺旋星系（像银河系这样的星系）时，天文学家一直在争论暗物质是集中在银河系的边缘还是爱核心。由于我们无法对自己的星系采取俯视的角度观察，因此确定是由何种物质组成银河系是非常困难的，就像试图站在一大群人中去判断这群人的人数一样。

最近天文学家法比奥·艾科及其合作者发表在《自然》杂志上的一项新研究详细记录了银河系内部恒星的运动。

他们发现银河系的内部聚集了大量的暗物质。太阳在以银河系为中心的圆形轨道上旋转，称为太阳圈，这里位于银河系中心和星系边缘的中间。艾科发现暗物质甚至还出现在太阳圈里。

修正引力的替代理论

成为一名科学家的重要一点就是尽可能地将自己的观点与研究分开，并始终尽可能的多角度去看待问题。在对待暗物质这个问题上，科学家们想知道不得不发明一种全新类型的物质是否可能过于极端，取而代之的应该是是采取不同的方法。

下面就是他们提出的建议：如果引力定律在没有暗物质的情况下不起作用，也许只是我们不像我们以为的那样理解引力定律。

其中一个理论是改进的牛顿动力学（或MOND）在20世纪80年代发表在《我的Milgrom》上。MOND的支持者认为，如果我们用小的加速度修改牛顿定律，即像星系边缘的恒星运行轨道一样小的运动变化，我们或许可以解开这个谜团。这些微小的变化对预测整个星系的质量没什么作用，但将变化与观测物的数量相匹配，就不再需要其他未知形式的物质。MOND理论的预测实际上很好地再现了某些星系中恒星的运动。

子弹群

不幸的是，对于MOND来说，发现子弹群后，有了一个非常明显的支持暗物质的证据。 事实上，这一证据非常清楚，以至于一些天文学家认为它是直接证明了暗物质的存在，而不是间接的进行了证明。

子弹群是两个拥有成千上万个星系的星系团刚刚发生碰撞的后果。在这些星系中，恒星之间有很大的空间，因此在整个碰撞过程中，它们可以做到相对来说毫发无损地穿过彼此。然而，弥漫在这些密集星系团的热X射线气体将会在被挤出星系前被粉碎掉。

该星团将进一步充当所谓的引力透镜，用于观察在它后面更远的星系。子弹星团周围的空间由于其重力影响而变形，这会导致更远的星系的光线在子弹星团周围弯曲，并被我们的望远镜探测到。光线弯曲的程度和位置与子弹群的质量和位置有关。

即使子弹星团中的X射线气体比恒星的质量大得多，这种透镜也会发现聚集在一起的大部分物质是与星光相伴随的。因此，除了引力之外，这里还存在着天文学家一定不会观察到的某种形式的物质。

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. quickanddirtytips- Y张

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