暗物質存在的5個證據（神秘的暗物質到底存不存在）

2023-04-17 05:13:11

暗物質很神秘，它不與任何形式的電磁輻射相互作用：比如光，暗物質不發光，也不反射光。儘管我們無法直接觀測暗物質，但有大量證據證明暗物質的確存在。

暗物質存在的證據

上世紀40年代，弗裡茲·扎維奇（ Fritz Zwicky ）首先間接的發現了暗物質。他在觀測近距空間和后髮座星系團時，通過觀測這些星系發出的光線，估算了星系團的整體質量。但當扎維奇測量星系團中各個星系相對於星系團的運動速度時，發現星系團中星系的速度彌散度過高，相比下星系團質量產生的的引力很小：星團本該早被撕碎的。

圖解：從引力透鏡產生的效應，星系團CL0024 17內部被發現存在有一個暗物質圈，在這張哈勃太空望遠鏡像片裡以藍色顯示出來。

不太可能是扎維奇正好觀測到剛開始分解的星團。相反，是除星系中可見物質以外的質量極大的物質的引力，將星系束縛在星系團內。扎維奇推測，一定有一些我們看不見的物質在起作用：這種物質會產生可觀測的引力作用，但不像普通正常物質一樣發出輻射。

圖解：被暗物質包圍繞著的地球想像圖

單個星系旋轉曲線也進一步證明了暗物質的存在：它描述了漩渦星系中可見天體的環繞速度和其距離星系中心距離的關係。靠外圍的天體繞星系中心旋轉速度很快，它們本不應該束縛於星系中——但事實確實如此。如果我們現有對引力的認知是正確的，對這些天體的快速旋轉只有一個解釋：在星系暈中有無法觀測的質量存在。

圖解：藍色為聚集在阿貝爾1689星系團的暗物質。天文學家們通過引力透鏡定位了這些聚集。

宇宙學家通過引力透鏡，也推測暗物質存在。因為光線從遙遠的星系傳播到地球的過程中，必須經過其他星系團等其他天體。所以當光經過這樣的星系團時，星系團強烈的引力場會像透鏡一樣，使遙遠星系傳來的光發生彎折和放大。背景星系的成像可能會被扭曲成光弧或光環，或者被分離成多重成像。由於扭曲程度取決於前景星系團的質量，天文學家們可以通過引力透鏡來測量周圍星系團的質量。測量結果中始終不變的是，星系團的質量遠應比測量結果大。

圖解：一般星系的自轉曲線：預測值（A）和觀測值（B）。暗物質的存在可以解釋為何在半徑較大時速度幾乎不變。

宇宙中微波背景中的波動——大爆炸中剩餘的輻射——進一步證明了暗物質存在。宇宙學家可以通過這些波動計算出宇宙的密度和組成。通過利用歐洲航天局的普朗克太空飛行器計算，原子只構成宇宙能量和質量總和的4.9%。而且，常規物質只佔總物質（常規物質和暗物質）的六分之一。所以暗物質佔了宇宙總質量和能量的27%。

圖解：今期與早期的宇宙質能分布餅圖

此外，只有當將暗物質計算在內時，對大型天體的模擬和觀測才匹配。若不將暗物質計算在內，模擬則無法推算出我們在宇宙中看到的組成星系團「宇宙網」中的星系纖維和孔洞。

暗物質的性質

暗物質的性質尚未研究清楚。科學家們在最廣泛研究的模型中，假定暗物質由弱相互作用有質量粒子（WIMPs )組成。目前已知的粒子物理標準模型中，還不存在這種這種亞原子粒子，但科學家們預測，這種粒子在超對稱模型的延伸中存在。弱相互作用有質量粒子會通過引力和常規物質作用，很少情況下，也會通過弱核力相互作用，弱核力是四大基本力之一（其它三個力分別是：強核力，電磁力和引力）。

圖解：哈勃太空望遠鏡（Abell 1689）觀察到的強引力透鏡表明暗物質的存在-放大圖像以觀察透鏡弧。

科學家們現在正在試圖利用地下礦的探測器直接找到弱相互作用有質量粒子，或用使用間接的方法：用伽瑪射線毀壞粒子，粒子會釋放輻射。（後者需要弱相互作用有質量粒子做自己的反粒子：物質反物質=咪咪嘛咪哄完成！）。然而，最近的迴避偵測，比如從LUX探測器，superCDMS探測器和大型強子對撞機的報告顯示，科學家們面臨著複雜程度前所未有的弱相互作用有質量粒子模型。