什么是暗物质?我们如何知道它的存在?

在所有的科学分支中，最受欢迎的是天文学，这是有充分理由的。究竟有谁曾对闪烁的星星，闪烁的月亮，以及偶尔照亮我们夜空的流星感到好奇呢？自从望远镜发明以来，我们对地球以外的世界的好奇与日俱增。

有了哈勃等先进的太空望远镜，我们现在可以深入观察宇宙，甚至可以探测到那些在大爆炸后刚刚形成的古老星系，事实上，正是通过观察这些原始星系之一，宇宙中最大的谜团之一——暗物质诞生了!

暗物质的起源

在17世纪早期，约翰内斯·开普勒发现行星离太阳越远，它围绕太阳旋转的速度就越慢。几十年后，牛顿提出了万有引力的基本定律，使我们得以测量这种极其重要的力。利用牛顿的万有引力定律，我们计算出了太阳的引力，从而得到了关于太阳质量的详细信息。随着望远镜和其他天文技术的进一步发展，科学家们也开始将牛顿的万有引力定律应用于旋转星系的研究。

弗里茨的发现

20世纪30年代，一位名叫弗里茨·兹威基(Fritz Zwicky)的瑞士天文学家在研究后发星系团中的星系时，注意到一些星系在以非常高的速度移动。事实上，它们的速度是如此之快，兹威基觉得它们不能再受到重力的束缚，不可避免地会被撕裂。

他推测，大约需要100倍以上的物质来证明这些后退的星系的过快速度是合理的。他对这种神秘的物质持怀疑态度，但确信它不像普通物质那样可见，因此，他称之为暗物质，不出所料，当时科学界并没有被弗里茨的想法所说服。

鲁宾的确认

又过了40年，他的想法才被认真对待。在20世纪70年代，另一位名叫维拉·鲁宾的天文学家正在研究螺旋星系，就像兹威基一样，她也希望看到，根据牛顿的万有引力定律，离星系中心越远，气体云的移动速度就会越慢。

然而，她观察到的却是相反的情况，她发现，对于星系团中的许多星系来说，它们离中心越远，移动的速度就越快，对于另一些人来说，远离中心并不影响他们的速度，也就是说，他们的速度没有减慢，这一观察表明，星系的质量不是集中在中心，而是分布在整个圆盘上，以证明这样的速度是合理的，尽管数量众多，但没有足够的可见物质来解释这种速度。

唯一能证明这种异常现象的解释是一些“看不见的”物质具有“质量”。这种神秘的物质被认为是看不见的，因为它不能像恒星、气体、尘埃和其他已知的天体那样被探测到。此外，这种物质必须分布在整个圆盘上才能使旋转正确，鲁宾认为，这种不可见的暗物质的质量大约是普通物质剩余质量的5-6倍。

暗物质：谜团仍在继续

在鲁宾的观察之后，人们进行了更多的研究来发现暗物质的秘密。

讽刺的是，关于暗物质最值得注意的事情是我们几乎对它一无所知！从我们的研究中，我们已经证实暗物质有质量，但不像普通物质，它不发射或吸收热、光或任何其他电磁波。

我们在宇宙中所熟悉的物质基本上是由重子物质组成的，也就是说，由质子、中子和电子组成。然而，大多数科学家认为暗物质不太可能是重子物质，因为它不表现出普通物质的特性，最有可能的是，暗物质是非重子物质。

暗物质的竞争者

那么问题来了，如果它是非重子的，那么暗物质是由什么组成的呢？一些研究正在努力回答这个问题，但到目前为止，我们还没有取得什么结论。话虽如此，还是有一些假说试图进行推测；第一个假设是一种被称为轴子的亚原子粒子。

Axion

轴子是一种基于量子力学理论的被提出的粒子。它的存在还没有被直接证实，但轴子的性质与暗物质所展示的非常相似。轴子有质量，而且它们似乎不发出多少光。结果，它们的物理结构将失去发光，从而“黑暗”。为了证实它们的存在，研究正在进行中，但轴子仍然难以捉摸。

WIMP

另一种可能是构成暗物质的基本元素的粒子是弱相互作用粒子。WIMP是指大质量弱相互作用粒子。这也是一个假设的想法，也就是说，它没有得到经验的验证。这种被提出的粒子不带电荷。它们之所以被称为“弱”是因为它们与普通物质有微弱的相互作用，它们的相互作用是如此微弱，以至于许多科学家推测它们可能会在我们不知道或察觉的情况下穿过我们!

利用WIMP，天体物理学家试图解释一些宇宙的奥秘，包括为什么一些星系的外边缘比中心旋转得快，事实上，在科学界，弱的想法比其他竞争性的想法更受欢迎，尽管WIMP帮助解决了宇宙中的一些谜题，但它并不能解决所有的谜题。

例如，当科学家试图应用WIMP模型并对银河系等星系进行计算模拟时，模拟预测了银河系外围存在数百个小型卫星星系。然而，当天文学家试图以经验来确定这一点时，他们只能探测到大约20个，这些反常现象暴露了WIMP理论的弱点;世界各地的天体物理学家都在尝试改进WIMP理论模型，以消除这些差异。

现在，让我们来看看一些正在进行的更大的努力来揭开暗物质的神秘面纱。

寻找暗物质

勒克斯

与暗物质有关的最著名的努力之一正在桑福德地下研究设施进行，打着大型地下氙气黑暗实验(LUX)的旗号。为了研究WIMP，科学家们正在位于地球表面下几千英尺的一个实验室里进行暗物质实验。

它位于地下是因为需要一个孤立的环境来探测暗物质；外部噪音或地球大气中通常存在的其他辐射不会对大气产生太大影响。数千英尺的岩石被用作虚拟盾牌，尽可能地保护地下研究实验室免受外部干扰。

LUX暗物质项目的核心是一个80000加仑的隔离水箱，里面装有高度净化的水，用来探测WIMP的存在。

在这个容器里是另一个装满过冷液态氙的容器。现在的想法是，如果任何暗物质穿过这个容器并在这个孤立的环境中撞击氙原子，嵌在容器中的传感器将探测/测量神秘的暗物质。尽管我们付出了巨大的努力，我们还是没有遇到WIMP，许多科学家假设，由于WIMP本质上具有欺骗性和弱性，用普通物质制成的传感器几乎不可能探测到它们。

欧洲核子研究中心

既然我们无法捕捉/探测到这些神秘的粒子，何不在实验室里制造它们呢?在瑞士的欧洲核子研究中心，一个通过重现大爆炸来创造暗物质的项目正在进行中。在欧洲核子研究中心，有一个巨大的管道/隧道网络，沿着数英里长的轨道在一些点相交。

这个项目背后的基本想法是，从一个方向发射一束质子，穿过其中一根长管道，然后从另一端发射另一束质子，这个装置的设计是这样的，在这两个光子携带管道相交的地方有四个点。

人们正在努力观察这些光束以合适的速度碰撞，这样就会导致爆炸，一团粒子将会分散在周围，研究人员预计暗物质也在其中，简而言之，世界上最大的机器之一正被用来发现迄今为止建立理论的最小粒子之一，试图重现大爆炸!

最后

尽管我们努力发现暗物质，但任何可以被认为是成功的东西都非常有限。然而，如果我们能够解决暗物质之谜，它将从根本上改变我们所知道的物理学，就像艾萨克·牛顿的运动定律或阿尔伯特·爱因斯坦的相对论改变一切一样。也许到那时，我们会对某些基本问题有一个更好的答案，包括——我们生活在什么样的宇宙中?

本文由奇点天文作者上传并发布，奇点天文仅提供文章投稿展示，文章仅代表作者个人观点，不代表奇点天文立场。