暗物质及其研究概况（2）
胡经国
2、星系研究
⑴、暗物质星系团——子弹星系团
“暗物质星系团”，也被称为“子弹星系团”，距离地球38亿光年。通过研究这类星系团，科学家能够测量出暗物质的不可见影响。子弹星系团是两个星系团碰撞的产物。其中，普通物质——高温气体（粉色，X射线波段）——会碰撞、损失能量、运动速度变慢。星系团中的暗物质（蓝色，引力透镜观测）之间相互作用很弱，可以彼此穿过。据美国太空网报道，神秘的暗物质一直以来都是自然界的未解之谜，引起了科学家们的探索和争论。美国“低温暗物质搜寻计划”项目组科学家研究指出，暗物质或许就存在于地球之上。暗物质就因为它“模糊、隐晦”的特点而很难发现。事实上，科学家们也不知道究竟何为暗物质。由于暗物质既不释放任何光线，也不反射任何光线，因此最强大的天文望远镜都无法直接探测到它。
⑵、螺旋星系NGC 4736
科学家们发现“螺旋星系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。
⑷、Abell 2390星系团和暗物质星系团
“Abell 2390星系团”和“暗物质星系团”，距离我们约有20亿光年远。右半方的影像，是哈勃太空望远镜所拍摄的假色照片；而相对应的左半方的影像，是由钱卓X射线观测站所拍摄的X射线影像。虽然在哈勃望远镜的影像中可以看到数量众多的星系，但是在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”。除了表面上的差异以外，这些观测其实还含有更重大的谜团。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13%！在右方哈伯的深场影像里，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”。
⑸、M型矮星
在大视场望远镜所拍摄的天空照片上，已发现了暗于14星等、不到半个太阳质量的“M型矮星”。由于太阳位于银河系中心平面的附近，从探测到的M型矮星的数目可推算出，它们大概能提供银河系应有失踪质量的另一半。而且每一颗M型星发光，有几万年。所以人们认为，银河系中一定存在着许许多多的这些小恒星“燃烧”后的“尸体”，足以提供理论计算所需的全部暗物质。
⑹、地球和月球之间
美国科学家称，他们通过一种最新的理论研究发现，地球和月球之间其实隐藏着大量神秘的暗物质。这一观点也许可以用来解释所谓的“飞行异常”奇怪现象。当太空飞行器进入太空之前、尚在地球周围不断加速的过程中，所有飞行器都曾经有过奇怪的“速率变化过程”。而根据已知的万有引力定律，不应该出现这种现象。于是，有些科学家认为，这种“飞行异常”表明现有物理定律以及万有引力定律存在问题，爱因斯坦的广义相对论需要修正。当然，这只是一种较为激进的看法。
⑺、超星系团的丝状物
德国慕尼黑大学天文台的约尔格·迪特里希及其研究团队，已探测到一个超星系团的丝状物中的暗物质成分。这个“超星系团”名为“阿伯尔222/223”，距地球约27亿光年。巨大的丝状物产生的引力使得从地球发射至遥远星系的“光束发生弯曲”。迪特里希的研究团队利用这种光束，计算出“阿伯尔222/223”超星系团丝状物的质量，并且绘制出它的形状。附近正常物质的炽热气体发出的X射线表明，正常物质是该超星系团丝状物的组成部分，但是仅占其质量的10%；其余部分一定是暗物质。迪特里希说，这表明这些丝状物是“将宇宙中的星系团连接在一起的暗物质网络的一部分”。
⑻、银河系核心是暗物质大量聚集、经常相撞的地方
霍普和他的科研组，通过对费米伽马射线太空望远镜在两年多时间里传回地球的数据进行分析，发现了这种“高能死亡信号”。费米太空望远镜是美国宇航局的伽马射线望远镜，主要用来扫描银河的高能活跃区。他们发现，发出信号的相撞在一起的暗物质粒子，比质子大约重8～9倍。霍普说：“它比我们大部分人猜测的结果可能更轻一些。迄今为止，我们很擅长这方面。不过人们猜测的暗物质粒子的重量范围不会一成不变。”该科研组是在银河核心处一个直径100光年的区域收集到的数据里发现这些信号的。霍普解释说，他们之所以会关注这个区域，是因为它是暗物质“最喜欢”的聚集地；银河系的这个区域的暗物质密度，是银河系边缘的10万倍。简而言之，银河系核心就是一个暗物质大量聚集在一起、经常相撞的地方。
3、研究结论
⑴、星系的总质量远大于星系中可见星体的质量总和
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。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。
⑵、距离银河系不远的“矮星系”
观测结果和理论分析均表明，漩涡星系外围存在着大质量的“暗晕”。科学家们借助强功率天文望远镜（包括架设在智利的甚大天文望远镜（VLT ，Very Large Telescope）），对距离银河系不远的“矮星系”进行了共达23夜的研究。此后，科学家们还通过大约7000余次的计算得出结论称：在他们所观测的这些矮星系中，暗物质的含量是其它普通物质的400多倍。此外，这些矮星系中物质粒子的运动速度可达每秒9公里，其温度可达10000℃。同时，科学家们还观测到，暗物质与其它普通物质还具有巨大的差异，如：尽管观测目标的温度是如此之高，但是这样的高温却不会产生任何辐射。据领导此项研究的杰里-吉尔摩教授认为，暗物质微粒很有可能不是由质子和中子构成的。然而，在此之前科学家们曾经一贯认为，暗物质应该是由一些“冷”粒子构成的，这些粒子的运动速度也不会太高。
⑶、宇宙间最小的连续存在的暗物质片段的大小
暗物质研究专家们还表示，宇宙间最小的连续存在的暗物质片段大小也有1000光年；这样的暗物质片段的质量大约是太阳的30多倍。科学家们还在此次研究中确定出了暗物质微粒分布的密度，譬如，在地球上每立方厘米的空间如果能够容纳1023个物质粒子，那么对于暗物质来说这么大的空间只能容纳大约1/3的微粒。
⑷、暗物质的形成与组成
宇宙学家表示，他们已经在银河核心深处发现与暗物质粒子有关的最令人信服的证据。该地的这种神秘物质相撞在一起产生伽马射线的次数，比天空中的其他临近区域更频繁。费米实验室的天体物理学家克雷格·霍甘并没参与这项研究，他说：“这是我所知道的第一项通过一个简单粒子模型，把少量与暗物质的证据有关的线索拼接在一起的研究。虽然它还没有充足证据，但是它令人兴奋，值得我们去追根究底。”
暗物质从137亿年前开始在庞大的能量膨胀——宇宙大爆炸过程中形成；能量冷却后形成普通物质、暗物质和暗能量，它们在宇宙中的比例分别是4%、23%和73%。
⑸、过去、现在与未来
芝加哥大学的宇宙学家迈克尔·特纳表示，好消息是几项有希望的暗物质探测试验正在进行。相干锗中微子技术（CoGeNT）等深埋地下的探测器，可以助霍普一臂之力。该探测器近几年可能已经发现，“弱相互作用大质量粒子”的迹象。特纳说：“这10年是暗物质的10年。这个问题即将解决。现在所有这些探测器都在观测正确方位。”
他预测，未来数年将会被铭记为“大质量弱相互作用粒子（WIMP）的10年”，而且通过一系列的研究，包括利用大型强子对撞机制造WIMP等，暗物质的性质将逐渐呈现在我们面前。
⑹、宇宙中微子和暗物质数值模拟揭示宇宙演化进程
2015年5月13日，由北京师范大学天文系教授张同杰领衔的宇宙中微子数值模拟团队，在“天河二号”超级计算机系统上，日前成功完成3万亿粒子数的宇宙中微子和暗物质数值模拟，揭示了宇宙大爆炸1600万年之后至今约137亿年的演化进程。
四、物质分布
1、宇宙中非重子物质的暗物质：冷、热暗物质
天文学观测表明，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，在宇宙的总质量中，重子物质大约占2%；也就是说，在宇宙中可以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%。
2、暗物质分布与聚集及其与星系的关系
在宇宙中的某些地方没有任何暗物质和可见物质，而它们在另外一些地方却异常密集：暗物质聚集在一起，而星系则“挂靠”在暗物质上，就像“挂在钩子上的画”。
3、低温暗物质搜寻计划
美国明尼苏达大学科学家安吉拉－雷塞特尔是“低温暗物质搜寻计划”项目组成员之一。雷塞特尔表示，“就在我们的周围，存在一种暗物质流；每时每刻都存在一种交互。”她是在美国物理学会一次会议上发表这一理论的。在最新一期《科学快讯》杂志上，雷塞特尔和同事们发表论文声称，他们发现了“两起事件”，这些事件可能就是由“暗物质撞击探测器”所引起的。雷塞特尔表示，“我们此前的探测结果从来没有如此发现，这是首次。”
“低温暗物质搜寻计划”位于明尼苏达州地下大约700米的一个矿井中。因此，该矿井可以阻止其他任何物质抵达实验设备，除了暗物质以外。这样宇宙射线和其他粒子可能会与暗物质粒子混淆的可能性已基本被排除。探测器本身也主要是由锗元素或硅元素组成的曲棍球形状的小块。如果锗或硅原子的原子核被暗物质粒子击中，它就会反弹并向探测器发送一个信号。
科学家发现，宇宙中的暗物质与一些小型的临近星系密切相关。这些星系只有数颗恒星，但是它们的质量却是这些恒星单独质量的100倍。这种隐藏的物质就被科学家称作“暗物质”。
然而，研究人员也无法完全确定他们所探测到的“两个信号”究竟是由暗物质粒子引起的还是由其他粒子引起的。这两个信号太少，因此科学家们也无法确定。据科学家介绍，他们的计算曾经预测到背景可能会引起一次假事件。“低温暗物质搜寻计划”将继续进行他们的实验以期发现更多实质性的信号。
4、强大的粒子加速器
地球上另一项探寻暗物质的尝试聚焦于强大的粒子加速器。这类加速器可以将亚原子粒子加速到“接近光速”；然后让它们“相互碰撞”。科学家们希望，通过这种难以置信的“高速碰撞”，从而产生“奇异粒子”，其中包括暗物质粒子。
然而，科学家即使采用最强大的粒子加速器，至今也未能发现暗物质的任何迹象。美国马里兰大学科学家萨拉－恩诺表示，“你也许会问，为什么会这样？为什么组成宇宙大部分的物质粒子在我们的加速器中从来没有发现过？”其原因之一可能就是他们的加速器还没达到足够强大。
科学家们也无法确定暗物质粒子究竟有多大，有多重，以及究竟需要多大的能量才能够在实验室中发现它们。或许在任何加速器中都无法找到暗物质粒子。恩诺表示，“我们或许不知道这样一个事实，那就是暗物质粒子是我们无法制造或探测到的粒子。”
5、大型强子对撞机
最大的希望就寄托于新型的粒子加速器“大型强子对撞机”。恩诺表示，“大型强子对撞机或许会最终让我们获得足够的能量以产生暗物质粒子，并且在撞击中发出它们。”恩诺也是大型强子对撞机“紧凑型μ子螺旋型磁谱仪”实验项目组成员之一。
然而，在小一些的尺度上，从1Mpc到星系的尺度（Kpc），就出现了“不一致”。几年前这种“不一致性”就显现出来了，而且它的出现直接导致了“现行的理论是否正确”这一至关重要的问题的提出。在很大程度上，理论工作者相信，“不一致性”更可能是由于我们“对暗物质特性假设不当”所造成的，而不太可能是“标准模型”本身固有的问题。首先，对于大尺度结构，引力是占主导的，因此所有的计算都是基于牛顿和爱因斯坦的引力定律进行的。而在小一些的尺度上，则高温高密物质的流体力学作用就必须被包括进去了。其次，在大尺度上的“涨落”是微小的，而且我们有精确的方法可以对此进行量化和计算。但是，在星系尺度上，普通物质和辐射之间的相互作用却极为复杂。在小尺度上的以下几个主要问题：“亚结构”可能并没有CCDM数值模拟预言的那样普遍。“暗物质晕”的数量基本上和它的质量成反比，因此应该能观测到许多的“矮星系”以及由“小暗物质晕”造成的“引力透镜效应”，但是观测结果并没有证实这一点。而且那些环绕银河系或者其他星系的暗物质，当它们合并入星系之后会使原先较薄的“星系盘”变得比观测到的更厚。
“暗物质晕”的密度分布应该在核区出现陡增，也就是说随着到中心距离的减小，其密度应该急剧升高。但是，这与我们观测到的许多自引力系统的中心区域明显不符。正如在引力透镜研究中观测到的那样，星系团的核心密度就要低于由“大质量暗物质晕模型”计算出来的结果。普通旋涡星系其核心区域的暗物质比预期的就更少了。同样的情况也出现在一些低表面亮度星系中。而矮星系，例如银河系的伴星系玉夫星系和天龙星系，则具有与理论形成鲜明对比的均匀密度中心。流体动力学模拟出来的“星系盘”其尺度和角动量都小于观测到的结果。在许多高表面亮度星系中都呈现出“旋转的棒状结构”，如果这一结构是稳定的，就要求其核心的密度要小于预期的值。
可以想象，解决这些日益增多的问题，将取决于一些复杂的但是却是普通的天体物理过程。一些常规的解释已经被提出来用以解释先前提到的“结构缺失”现象。但是，总体上看，观测证据显示，从“巨型的星系团”（质量大于1015个太阳质量）到“最小的矮星系”（质量小于109个太阳质量）都存在着“理论预言的高密度”与“观测到的低密度”之间的矛盾。
5
|
|
