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暗物质科普 出品：科普中国?制作：《科学世界》 杂志社?监制：中国科学院计算机网络信息中心 2015年12月17日，中国首颗暗物质粒子探测卫星DAMPE发射。这是中国科学家们的身影又一次出现在“两暗一黑”问题的探索之路上。 你或许听说过“暗物质”吧？我们都知道身边的物质是由原子组成的，而原子又是由质子、中子、电子等粒子组成。那么，暗物质又是什么，由什么组成？它为什么那么重要，以至于各国科学家们，利用各种先进仪器，在地下深处或是太空中夜以继日地追寻着它的踪迹？ 为什么说存在着暗物质？ 既然我们身边的事物都是由普通物质组成的，那为什么还会认为自然界中存在着暗物质这种东西？ 天文学家们是从20世纪30年代开始意识到宇宙中存在着看不见的暗物质。1933年，瑞士的天文学家弗里茨?兹威基（Fritz Zwicky）对距离地球3.2亿光年、由超过3000个星系组成的后发座星系团进行了观测。 他采用了两种不同的方法来测量星系团的质量。第一种方法是对大量星系的运动速度进行分析，因为速度与引力有关，所以可以间接估计出星系团的质量。用这个方法得到质量称为“力学质量”。另一种方法是通过星系团内星系的亮度来估计质量，因为恒星质量越大就越亮。这样得到的质量称为“光度质量”。按说力学质量和光度质量应该相近，然而实际得到的结果是，力学质量比光度质量高了400倍左右！也就是说，力学质量里的绝大部分是我们看不到（不发光）的物质。如果没有这部分“看不见的物质”的作用，那么这个星系团的引力就不足以将其中的星系像现在这样束缚在一起。 到了20世纪70年代，美国天文学家薇拉?鲁宾（Vera Rubin）使用基特峰天文台和洛厄尔天文台的望远镜对距离地球约250万光年的仙女座星系进行观测。她利用多普勒效应测量了这个星系不同半径处，围绕着星系中心旋转的气体的运动速度。按说，离中心越近，引力越大，运动速度应该越快才能产生足够的离心力，抵消掉引力的影响。就像离太阳越近的行星，公转速度就越大。但鲁宾也发现了奇怪的现象：离星系中心不同距离处的气体，围绕中心旋转的速度都差不多。她又观测了其他星系，发现也是同样的情况。鲁宾由此认为，宇宙中存在着我们看不到的物质，为弥散于星系各处的气体提供着引力。 20世纪80年代，科学家正式提出了“暗物质”这个名称。现在普遍认为，组成星系团的质量中，星系只占了百分之几，星系际介质约占20%，暗物质的比例则高达70%～80%。暗物质的所谓“看不见”，不单单是说用我们的肉眼在可见光波段看不见，而是说不论探测什么波段的电磁波，比如红外线、紫外线、X射线、伽马射线等，都看不到它。也就是说，暗物质不发出任何波段的光。 被淘汰的暗物质候选者 暗物质到底是什么，现在还不清楚。我们先来看看科学家已经排除了哪些暗物质的“候选者”吧。 人们首先想到暗物质会不会是那些用光学望远镜很难发现的暗天体，例如行星、褐矮星、衰老的白矮星、中子星、黑洞等。但是所有暗天体加起来，也达不到星系总质量的10%，不足以扮演暗物质的重要角色。 那么，扩大范围，暗物质是由原子组成的吗？研究认为，由原子构成的物质也不足暗物质的1/5，依然无法满足暗物质所需要的量。在宇宙的早期可能存在小型的“原初黑洞”，它们不是从原子组成的恒星演化而来的，所以并不能将之从暗物质候选者中排除掉。但是原初黑洞是否真的存在现在还并不清楚。 子弹星系团是由两个星系团碰撞而形成的。科学家利用引力透镜研究其质量分布的变化发现，暗物质与其他物质几乎没有相互作用，在碰撞的过程中会相互穿越而过。这个性质使人想到了中微子，它既不是原子组成的，也很难与其他物质发生相互作用，而且中微子数量庞大，每秒钟都会有上百万个中微子穿过我们的身体。那么中微子是不是暗物质呢？ 20世纪70年代，科学家提出，宇宙中如果只有“可见物质”的话，那么从宇宙诞生至今的这段时间里，就来不及形成现在所观测到的宇宙中的某些结构。1985年，英国苏塞克斯大学的卡洛斯?弗伦克（Carlos Frenk）团队提出，暗物质对于宇宙中恒星和星系等小结构的产生起到了重要的作用：首先，由于偶然性，有些地方的暗物质会聚集得多一些，所以引力更强，暗物质就更易积聚，密度渐渐变大；接下来，由原子组成的物质（气体）也被引力拉过去，很快进一步坍缩，生成恒星和星系等结构；然后，一些星系进一步汇集，形成星系团。就这样，在暗物质的作用下，从星系到星系团，一步步形成了宇宙中的大尺度结构。 但是上述方案的成立是有条件的，就是暗物质必须是很“冷”的，这意味着它们是由低速的粒子构成的。计算显示，如果运动的速度太大，粒子弥散的范围太广，星系这样的小尺度结构就难以形成了。而中微子是以接近光速运动的“热”粒子，加上它的质量也太小，因此也被从暗物质的候选者中排除了。 图1 子弹星系团 这是NASA的哈勃太空望远镜与钱德