XXXII：暗物质为什么一定存在？

引言：在如今的物理学和天文学里，依然有几片漂浮的乌云令人困惑不已。暗物质便是其中之一。科学家又凭什么认定，这个看不见也摸不着的幽灵的存在千真万确呢？

知识点I：暗物质概念的提出

      早在1884年，英国著名物理学家开尔文勋爵通过观测银河系恒星绕银心旋转的速度分布来估算银河系的总质量，他发现银河系总质量远大于我们能看见的恒星质量，他在一次演讲中提出：在银河系许许多多恒星中，恐怕大多数都是“黑暗天体”（dark bodies）。1906年，数学大师和物理学家庞加莱在《银河系与气体的原理》一文中首次将开尔文提到的黑暗物体称为“暗物质”（法语matière obscure）。1932年荷兰文学家奥尔特根据实测，同样提出银河系盘中的质量要远大于我们所观测到的恒星质量，大约还有一半是看不见的。

知识点II：暗物质的证据

      1933年，瑞士天文学家弗里茨·兹威基研究了后发座星系团外围成员星系的运动状态，再结合星系团的亮度、成员星系的数量，发现可见星系能提供的引力不足以支撑它们极高的运动速度，由此估算出后发星系团的总质量要比可见的成员星系总总质量大得多。

      1939年，美国天文学家巴布科克报告了他测得的仙女座星系的自转速率曲线，远离星系核的恒星旋转速度并没有减小，而是与靠近核心的恒星维持着差不多的速率。这种情况在NGC4984、NGC7217、NGC1620等类型各异的星系中都有发现。

      通过对银河系质光比（质量与光度之比）的测定，发现银河系有90%的质量应当位于银晕中。

      2006年，钱德拉X射线望远镜观察到“子弹星系团”（事实上是的两个星系团正在发生一场大规模碰撞）中炙热的气体（物质）分布与通过引力透镜效应重构质量分布并不重合，说明在电磁波无法成像的位置上有大量的“暗物质”存在，而且暗物质相互对撞却能穿越而过而未遇任何障碍。

至少目前大多数人认为，从理论上和实测上都比较支持暗物质理论，我们可以这样认为，虽然并不完全确定，但所谓暗物质极有可能是真的存在的。

 钱德拉X射线望远镜观察到的“子弹星系团”

知识点III：暗物质的作用

      暗物质提供了强大的引力，起到了黏合剂的作用。如果没有暗物质，我们的银河系会散架，很多恒星会被甩出去，星系的形成和演化都会遇到问题，银河系与仙女座星系对撞后也不会再聚拢到一起。如果它们果真在宇宙中拥有那么高的质量占比，那么这一定是宇宙演化历史中不可忽视的部分。

知识点IV：暗物质理论的缺陷

1）目前主要通过引力探知物质质量分布，但这是基于广义相对论是正确的，假如广义相对论引力的形式需要进行修正，或者干脆改变引力所在的时空性质，那么可能存在完全不需要引入暗物质就能完美符合上述观测结果的情况。

2）星系和星系团里的暗物质，是基于流体静力平衡的假设而得出的，然而发现暗物质的系统都是星系、星系团、超星系团等大质量天体系统，它们在宇宙年龄之内可能都无法达到所谓相对稳定的状态。

3）暗物质从未在星团和矮星系们里发现，因而有人认为星系中丢失的许多质量是因为没有精确估算星系中所含恒星级以及中等质量黑洞的数量。

4）即便暗物质会产生明显的引力作用，但是当天体穿越暗物质晕时会有明显引力拖曳作用，然而事实观测却没有发现。

知识点V：暗物质的特点

      暗物质不参与电磁作用，因此暗物质不发光、不散射光、不反射光，在整个电磁波段都找不到它的存在。暗物质仅有极小极小的概率撞到常规物质而发生反应，因此我们感受不到它们的存在。暗物质也是一种物质，有质量的，会产生引力。整个宇宙中暗物质占所有物质的84.5%。

知识点VI：暗物质的类别

      目前根据暗物质粒子在早期宇宙中随机运动的速度分为热暗物质、冷暗物质和温暗物质。热暗物质的运动速度接近光速，目前最理想的候选体是中微子，但这个假设要求中微子具有质量。冷暗物质的速度远小于光速，温暗物质则介于两者之间。天文学家认为组成宇宙中暗物质的主要成分应该为冷暗物质。

      冷暗物质有两大候选对象，一个是大质量致密晕天体（MACHO Objects），另一类是一种仍未知的大质量弱相互作用粒子（WIMP，Weakly Interacting Massive Particles），量比质子和中子大，其特点是虽然没有电磁相互作用和强相互作用，但是参与弱相互作用。基于冷暗物质的宇宙学模型与观测符合得比较好，在粒子物理理论中比较容易构造出符合WIMP特点的粒子。目前大部分暗物质探测实验都是针对WIMP设计的。