宇宙的幽灵——暗物质

大家好，我是地球宝宝，今天我们来讲一讲暗物质，让我们开始吧！

暗物质

暗物质

暗物质（Dark matter）是理论上提出的可能存在于宇宙中的一种不可见的物质，它可能是宇宙物质的主要组成部分，但又不属于构成可见天体的任何一种已知的物质。大量天文学观测中发现的疑似违反牛顿万有引力的现象可以在假设暗物质存在的前提下得到很好的解释。现代天文学通过天体的运动、牛顿万有引力的现象、引力透镜效应、宇宙的大尺度结构的形成、微波背景辐射等观测结果表明暗物质可能大量存在于星系、星团及宇宙中，其质量远大于宇宙中全部可见天体的质量总和。结合宇宙中微波背景辐射各向异性观测和标准宇宙学模型（ΛCDM模型）可确定宇宙中暗物质占全部物质总质量的85%、占宇宙总质能的26.8%。

一种被广泛接受的理论认为，组成暗物质的是“弱相互作用有质量粒子”（weakly interacting massive particle, WIMP），其质量和相互作用强度在电弱标度附近，在宇宙膨胀过程中通过热退耦合过程获得观测到的剩余丰度。此外，也有假说认为暗物质是由其他类型的粒子组成的，例如轴子（axion），惰性中微子（sterile neutrino）等。

大家是不是觉得有点玄乎，怎么才能证明暗物质的存在呢？我们是无法直接观测到它们的，因为它不和光子发生任何相互作用。下面的一组观察数据就能直接证明暗物质的存在了。

观测证据

尽管暗物质尚未被直接探测到，但已经有大量证据表明其大量存在于宇宙中，例如：

星系旋转曲线与弥散速度分布

星系旋转曲线描述了漩涡星系中可见天体的环绕速度和其距离星系中心距离的关系。根据对漩涡星系中可见天体质量分布的观测以及万有引力定律的计算，靠外围的天体绕星系中心旋转的运动速度应当比靠中心的天体更慢。然而对大量漩涡星系旋转曲线的测量表明，外围天体的运行速度与内部天体近乎相同，远高于预期。这暗示着这些星系中存在着质量巨大的不可见的物质。结合位力定理，可以通过星系中可见天体的弥散速度分布计算出星系中的物质分布。这种方法同样适用于测量椭圆星系和球状星团的物质分布。结果表明，除个别以外，大部分星系和星团的物质分布都与观测到的可见物质的分布不符，可见物质的质量仅占星系和星团总质量的较小部分。

星系团观测

星系团的质量分布主要可以通过三种不同的手段得出：（1）观测星系团中的星系的运动，通过引力理论计算得到。（2）观测星系团产生的X-射线。星系团中普遍存在能发射出X-射线的炽热气体，当气体在星系团引力场中达到流体力学平衡后，可通过其温度推测出星系团的质量分布。（3）引力透镜（gravitational lensing）效应。根据广义相对论，来自星系团背后的光线经过大质量星系团时会发生弯折，这与光学中的透镜类似。可一根据背景光线的弯折程度，推算出星系团中物质的分布。这三种方法互不影响，相互佐证，使得星系团观测成为研究暗物质的重要手段。这些观测一致表明星系团中物质的总质量远超出其中可见物质的总质量。

宇宙微波背景辐射

在宇宙尺度上，通过对宇宙中微波背景辐射（cosmic microwave background radiation）各向异性的精细观测，可以确定出宇宙中暗物质的总量。观测表明宇宙总能量的26.8% 由暗物质贡献，构成天体和星际气体的常规物质只占4.9%，其余68.3%为推动宇宙加速膨胀的暗能量。 [10]

宇宙大尺度结构的形成

大型计算机对宇宙演化的N－体引力模拟显示 [11-13] ，无碰撞的低速暗物质粒子在引力作用下逐步聚集成团，这一过程能形成我们今天看到的大尺度结构。这些结构的暗物质分布具备普适的质量分布。低速运动的暗物质有利于大尺度结构的形成。而高速运动的粒子趋向于抹平结构。因此不支持中微子作为主要的暗物质粒子候选者。

暗物质

好了，今天的科普就到这里，喜欢请点个赞哦，我是地球宝宝，我们明天见！