什麼是暗物質？暗物質是充滿宇宙但沒有人見過的神秘物質

暗物質以網狀分佈在宇宙中

宇宙中超過 80% 的物質是由科學家從未見過的物質組成的。它被稱爲暗物質，我們只是假設它存在，因爲沒有它，恆星、行星和星系的行爲根本就沒有意義。這是我們所知道的，或者更確切地說，是我們認爲我們知道的。

什麼是暗物質，爲什麼它是不可見的？

暗物質是完全看不見的。它不發射光或能量，因此不能被傳統的傳感器和檢測器檢測到。科學家們認爲，其難以捉摸的本質的關鍵必須在於它的成分。

可見物質，也稱爲重子物質，由重子組成——重子是質子、中子和電子等亞原子粒子的總稱。科學家們只是推測暗物質是由什麼構成的。它可以由重子組成，但也可以是非重子，這意味着由不同類型的粒子組成。

大多數科學家認爲暗物質是由非重子物質組成的。主要候選者 WIMPS（弱相互作用的大質量粒子）被認爲具有質子質量的十到一百倍，但它們與“正常”物質的弱相互作用使它們難以被發現。中微子是比中微子更重、更慢的巨大假設粒子，是最重要的候選者，儘管它們尚未被發現。

無菌中微子是另一個候選者。中微子是不構成常規物質的粒子。一條來自太陽的中微子河流，但由於它們很少與正常物質相互作用，它們穿過地球及其居民。

已知有三種中微子；第四種，無菌中微子，被提議作爲暗物質候選者。無菌中微子只能通過重力與常規物質相互作用。

密歇根州立大學物理學和天文學副教授、南極洲冰立方中微子天文臺的合作者泰斯·德揚告訴太空：“一個懸而未決的問題是，進入每個中微子種類的分數是否存在模式。” .com。

較小的中性軸子和不帶電的光子——都是理論粒子——也是暗物質的潛在佔位符。

還有反物質這種東西，和暗物質不一樣。反物質由與可見物質粒子基本相同但電荷相反的粒子組成。這些粒子稱爲反質子和正電子（或反電子）。當反粒子遇到粒子時，會發生爆炸，導致兩種物質相互抵消。因爲我們生活在一個由物質構成的宇宙中，很明顯周圍沒有那麼多反物質，否則就什麼都沒有了。與暗物質不同，物理學家實際上可以在他們的實驗室中製造反物質。

但如果我們看不到暗物質，我們怎麼知道它存在呢？答案是重力，由物質構成的物體所施加的力與其質量成正比。自 1920 年代以來，天文學家就假設宇宙必須包含比我們所能看到的更多的物質，因爲似乎在宇宙中發揮作用的引力似乎比僅可見物質所能解釋的要強。

“星星的運動告訴你有多少物質，”耶魯大學研究員彼得·範多庫姆在一份聲明中說。“他們不在乎問題是什麼形式，他們只是告訴你它就在那裡。”

天文學家在 1970 年代檢查螺旋星系時預計會看到中心的物質比外緣移動得更快。相反，他們發現兩個位置的恆星以相同的速度行進，這表明星系包含的質量比可見的要多。

對橢圓星系內氣體的研究也表明，需要比可見物體更多的質量。如果星系團所包含的唯一質量是常規天文測量可見的質量，它們就會飛散。

不同的星系似乎包含不同數量的暗物質。2016 年，範多庫姆領導的一個團隊發現了一個名爲蜻蜓 44的星系，它似乎幾乎完全由暗物質組成。另一方面，自 2018 年以來，天文學家發現了幾個似乎完全沒有暗物質的星系。

引力不僅影響星系中恆星的軌道，還影響光的軌跡。著名物理學家阿爾伯特·愛因斯坦在 20 世紀初表明，宇宙中的大質量物體由於其引力而彎曲和扭曲光。這種現象稱爲引力透鏡。通過研究光是如何被星系團扭曲的，天文學家已經能夠繪製出宇宙中暗物質的地圖。

今天，絕大多數天文學界都承認暗物質的存在。

“一些天文測量證實了暗物質的存在，導致全世界都在努力在極其敏感的探測器中直接觀察暗物質粒子與普通物質的相互作用，這將證實它的存在並闡明它的特性，”格蘭薩索意大利國家實驗室（LNGS）在一份聲明中說。“然而，這些相互作用非常微弱，以至於到目前爲止它們都逃脫了直接檢測，迫使科學家們建造越來越靈敏的探測器。”

儘管所有證據都指向暗物質的存在，但也有可能根本不存在這樣的東西，並且描述太陽系內物體運動的萬有引力定律需要修改。

暗物質似乎以網絡狀分佈在整個宇宙中，在纖維相交的節點處形成了星系團。通過驗證引力在我們太陽系內外的作用相同，研究人員爲暗物質和暗能量的存在提供了額外的證據。

暗物質從何而來？

暗物質似乎以網狀分佈在整個宇宙中，在纖維相交的節點處形成了星系團。通過驗證太陽系內外的引力作用相同，研究人員爲暗物質的存在提供了額外的證據。（事情甚至更復雜，因爲除了暗物質之外，似乎還有暗能量，這是一種無形的力量，負責對抗重力的宇宙膨脹。）

但是暗物質從何而來？顯而易見的答案是我們不知道。但是有一些理論。2021 年 12 月發表在《天體物理學雜誌》上的一項研究認爲，暗物質可能集中在黑洞中，黑洞是通往虛無的強大大門，由於它們的極端引力，它們會吞噬附近的一切。因此，暗物質將與我們今天所看到的宇宙的所有其他構成元素一起 在大爆炸中產生。

白矮星和中子星等恆星殘骸也被認爲含有大量暗物質，所謂的自有矮星也是如此，這些失敗的恆星沒有積累足夠的物質來啓動核聚變.

星系中心的暗物質

科學家如何研究暗物質？

既然我們看不到暗物質，我們真的可以研究它嗎？有兩種方法可以更多地瞭解這個神秘的東西。天文學家通過觀察宇宙中物質的聚集和物體的運動來研究宇宙中暗物質的分佈。另一方面，粒子物理學家正在尋求探測構成暗物質的基本粒子。

安裝在國際空間站上的一項名爲阿爾法磁譜儀(AMS) 的實驗可以檢測宇宙射線中的反物質。自 2011 年以來，它已被超過 1000 億條宇宙射線擊中，爲了解穿越宇宙的粒子組成提供了迷人的見解。

“我們測量了過量的正電子（電子的反物質對應物），這種過量可能來自暗物質，”AMS 首席科學家、麻省理工學院諾貝爾獎獲得者 Samuel Ting 告訴 Space.com。“但目前，我們仍然需要更多數據來確保它來自暗物質，而不是來自一些奇怪的天體物理學來源。這將需要我們再運行幾年。”

回到地球上，在意大利的一座山下，LNGS 的 XENON1T正在尋找 WIMP 與氙原子碰撞後的相互作用跡象。

哥倫比亞大學教授、項目發言人 Elena Aprile在一份聲明中說：“利用 XENON1T 在地球上用超低背景大型探測器探測暗物質的新階段剛剛開始。 ” “我們很自豪能夠憑藉這款令人驚歎的探測器走在競賽的最前沿，這是同類中的第一個。”

位於南達科他州金礦的大型地下氙暗物質實驗(LUX) 也一直在尋找 WIMP 和氙相互作用的跡象。但到目前爲止，該儀器還沒有揭示出神秘的物質。

“雖然一個積極的信號會受到歡迎，但大自然並不那麼善良！” 倫敦大學學院的物理學家、LUX 的合作者 Cham Ghag 在一份聲明中說。“儘管如此，一個無效的結果很重要，因爲它通過約束模型來改變該領域的格局，以瞭解暗物質可能超越以前存在的任何東西。”

IceCube中微子天文臺是一個埋在南極冰凍表面下的實驗，正在尋找假設的無菌中微子。無菌中微子僅通過重力與常規物質相互作用，使其成爲暗物質的有力候選者。

旨在探測難以捉摸的暗物質粒子的實驗也在瑞士歐洲核研究組織(CERN) 的強大粒子對撞機中進行。

幾個繞地球運行的望遠鏡正在尋找暗物質的影響。歐洲航天局的普朗克航天器於 2013 年退役，在拉格朗日點2（繞太陽軌道上的一個點，航天器相對於地球保持穩定位置）工作了四年，繪製了宇宙微波背景的分佈圖，宇宙大爆炸的遺物。這種微波背景分佈的不規則性揭示了暗物質分佈的線索。

2014 年，美國宇航局的費米伽馬射線太空望遠鏡在伽馬射線光下繪製了我們銀河系中心的地圖，揭示了從其核心延伸出的過量伽馬射線輻射。

“我們發現的信號無法用目前提出的替代方案來解釋，並且與非常簡單的暗物質模型的預測非常一致，”主要作者、伊利諾伊州費米實驗室的天體物理學家 Dan Hooper 告訴 Space.com。

研究人員說，過量可以通過質量在 31 到 400 億電子伏特之間的暗物質粒子的湮滅來解釋。結果本身不足以被認爲是暗物質的確鑿證據。需要來自其他觀測項目或直接探測實驗的額外數據來驗證解釋。

經過 30 年的發展，於 2021 年 12 月 25 日發射的詹姆斯韋伯太空望遠鏡預計也將有助於尋找難以捉摸的物質。世紀望遠鏡的紅外眼睛可以看到時間的開始，無法直接看到暗物質，但通過觀察宇宙最初階段以來的星系演化，有望提供見解這在以前是不可能的。