【原】暗物質(zhì)：你看不見我，但我已存在

天文在線 2023-04-08 發(fā)布于云南

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在宇宙中，占到主要成分的并不是暗物質(zhì)，而是暗能量。暗物質(zhì)只占26.8%，而暗能量占到了63.8%。除此之外的9.4%，就是我們已知的宏觀世界、少量的電磁波以及反物質(zhì)。

簡單了解下暗物質(zhì)

暗物質(zhì)，從字面意思我們就可以得知，它是一種“看不見”的物質(zhì)。在天文意義上，暗物質(zhì)不會吸收、反射或者輻射光，也不會與電磁力發(fā)生作用。因此我們無法通過電磁波的形式觀測到它，但是我們可以利用引力，間接觀測到它的存在，并且，我們已經(jīng)證明出宇宙中確實存在著大量暗物質(zhì)的這一事實。

暗物質(zhì)間接被發(fā)現(xiàn)的一個經(jīng)典證據(jù)就是星系自轉(zhuǎn)曲線（Galaxy rotation curves），我們知道螺旋星系（Spiral galaxy）的旋臂，會圍繞其星系中心旋轉(zhuǎn)，那么螺旋星系發(fā)光部分的質(zhì)量密度，就會隨著從中心到外圍距離的增大而減小。如果發(fā)光部分是該星系所具有的全部物質(zhì)，那么我們可以將該星系中心模型化為一個點質(zhì)量，并測試這些圍繞其中心旋轉(zhuǎn)的發(fā)光物質(zhì)，這種模型類似于我們的太陽系。根據(jù)開普勒第二定律，我們可以預(yù)計其自轉(zhuǎn)的速度，會隨著物質(zhì)到中心距離的增加而降低。在我們太陽系中，水星距離太陽系中心的距離最近，因此其速度也就最快；海王星距離遙遠(yuǎn)，因此其速度很慢。既然開普勒第二定律適用于我們的太陽系，那么按理說它肯定也適用于龐大的星系。然而實際觀測的結(jié)果并非如此，星系最邊緣物質(zhì)的運行速度與靠近其中心的物質(zhì)差不多一樣快。導(dǎo)致這一結(jié)果的原因可能有兩點：要么是開普勒第二定律并不適用于星系整體，要么就是有其它物質(zhì)在“作怪”。總之，難以直接被探測到的暗物質(zhì)，它的組成成分還是一個謎團。

從引力透鏡產(chǎn)生的效應(yīng)，星系團CL0024+17內(nèi)部被發(fā)現(xiàn)存在有一個暗物質(zhì)圈，在這張哈勃太空望遠(yuǎn)鏡像片里以藍(lán)色顯示出來。圖：NASA, ESA, M.J. Jee and H. Ford (Johns Hopkins University)

暗物質(zhì)在宇宙中的分布

在我們已知的物質(zhì)中，暗物質(zhì)可能在宇宙中占到大約85%。大多數(shù)暗物質(zhì)在自然界中被認(rèn)為是非重子的，可能是由一些尚未發(fā)現(xiàn)的亞原子粒子組成。暗物質(zhì)遍布宇宙，影響著宇宙的演化。

在宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)Lambda-CDM模型中，我們得出了宇宙的總質(zhì)能里，包含有5%的普通質(zhì)能、27%的暗物質(zhì)和68%的未知能量，也就是暗能量這一結(jié)論。而暗能量加上暗物質(zhì)的總和占總含量的95%。

（由于暗能量不算作為物質(zhì)，因此我們可以算出26.8/（4.9+26.8）=0.845）

前面我們提到星系自轉(zhuǎn)曲線，我們觀測到的大多數(shù)螺旋星系都遵循這一規(guī)律，因此我們可以確定宇宙中大多數(shù)螺旋星系中都存在一定數(shù)量的暗物質(zhì)。

典型的螺旋星系自轉(zhuǎn)曲線：預(yù)測的（A）和觀測的（B）。圖：PhilHibbs

接下來我們要提到的是一種速度離散（Velocity dispersion）現(xiàn)象，也與暗物質(zhì)相關(guān)。約束系統(tǒng)中的恒星，必須遵守維里定理（Virial theorem）。該定理與測量的速度值的分布相結(jié)合，可用于測量約束系統(tǒng)（如橢圓星系或球狀星團）中的質(zhì)量分布。但也有一些例子不遵守維里定理，即對一些橢圓星系的離散速度的估計，與觀測到的質(zhì)量分布的預(yù)測離散速度不匹配。即使假設(shè)恒星軌道是復(fù)雜分布的，它們之間也仍然不匹配?；蛟S也只有暗物質(zhì)能夠解釋這一點。

星系團（Galaxy clusters）也與暗物質(zhì)有關(guān)聯(lián)，星系團對于研究暗物質(zhì)的特性是特別重要的，因為它們的質(zhì)量可以用三種獨立的方式來估計。通常，這三種方法合理地認(rèn)為暗物質(zhì)與可見物質(zhì)的比值大約為5比1。

引力透鏡效應(yīng)（Gravitational lensing）也與暗物質(zhì)有所關(guān)聯(lián)。根據(jù)廣義相對論的預(yù)言，由于時空在大質(zhì)量天體附近會發(fā)生畸變，使得光線經(jīng)過大質(zhì)量天體附近時發(fā)生彎曲。物體越大，觀察到的引力透鏡效應(yīng)越強。