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暗物质（第1页）

暗物质

什么是暗物质?暗物质被认为是宇宙研究中最具挑战性的课题，它代表了宇宙中90％以上的物质含量，但是人们可以看到的物质只占宇宙总物质量的10％不到（约5％左右）。暗物质无法直接观测得到，但它却可以干扰星体发出的光波或引力，其存在能被明显地感受到。科学家曾对暗物质的特性提出了许多假设，但直到目前还没有得到充分的证明。

暗物质的总质量是普通物质的6．3倍，在宇宙能量密度中占了四分之一，更重要的是，暗物质主导了宇宙结构的形成。暗物质的本质现在还是个谜，如果假设它是一种弱相互作用亚原子粒子，那么由此形成的宇宙大尺度结构与观测相一致。

不过，对星系以及亚星系结构的分析显示，这一假设和观测结果之间存在着差异，这同时为多种可能的暗物质理论提供了用武之地。通过对小尺度结构密度、分布、演化还有其环境的研究能够区分这些潜在的暗物质模型，为暗物质本性的研究带来新的曙光。

60多年前，第一次发现了暗物质存在的证据。当时，弗里兹发现，大型星系团中的星系具有极高的运动速度，除非星系团的质量是按照其中恒星数量计算所得到的值的100倍以上，不然星系团根本无法束缚住这些星系。之后的观测分析证实了这一点。尽管对暗物质的性质依旧一无所知，但是到了20世纪80年代，占宇宙能量密度大约20％的暗物质已被广为接受了。

引入宇宙膨胀理论之后，许多科学家相信宇宙是平直的，而且宇宙总能量密度是等于临界值的。同时，宇宙学家们也倾向于一个简单的宇宙，其中能量密度都以物质的形式出现，包括4％的普通物质和96％的暗物质。然而事实上，观测从来就没有与此相符过。虽然在总物质密度的估计上存在着相当大的误差，但是这一误差还没有大到使物质的总量达到临界值，这一观测和理论模型之间的不一致也随着时问变得越来越尖锐。

当意识到没有足够的物质可以解释宇宙的结构及其特性时，暗能量出现了。暗能量和暗物质的共同点是既不发光也不吸收光。从微观上讲，它们的组成是完全不同的。像普通的物质一样，暗物质是引力自吸引的，且与普通物质成团并形成星系。而暗能量是引力自相斥的，在宇宙中几乎均匀的分布。因此，在统计星系的能量时会遗漏暗能量。暗能量可以解释观测到的物质密度和由暴涨理论预言的临界密度之间70％～80％的差异。

之后，两个独立的天文学家小组通过对超新星的观测发现，宇宙正在加速膨胀。于是，暗能量占主导的宇宙模型成为了一个和谐的宇宙模型。威尔金森宇宙微波背景辐射各向异性探测器的观测也独立的证实了暗能量的存在，并使它成为了标准模型的一部分。

暗能量也改变了我们对暗物质在宇宙中所起作用的认识。按照爱因斯坦的广义相对论，在一个仅含有物质的宇宙中，物质密度决定了宇宙的几何，宇宙的过去和未来。加上暗能量，情况就完全不同了。首先，总能量密度（物质能量密度与暗能量密度之和）决定着宇宙的几何特性。其次，宇宙已经从物质占主导的时期过渡到了暗能量占主导的时期。在“大爆炸”之后的几十亿年中暗物质占了总能量密度的主导地位，然而这已成为了过去。现在我们宇宙的未来将由暗能量的特性所决定，它现在正使宇宙加速膨胀，而且除非暗能量会随时间衰减或者改变状态，不然这种加速膨胀态势将持续下去。

不过，我们忽略了非常重要的一点，那就是暗物质促成了宇宙结构的形成，如果没有暗物质就不会形成星系、恒星和行星，也就更谈不上今天的人类了。宇宙虽然在极大的尺度上表现出均匀和各向同性，然而在小一些的尺度上则存在着恒星、星系、星系团、巨洞以及星系长城。而在大尺度上能促使物质运动的力就只有引力了。但是均匀分布的物质无法产生引力，所以今天所有的宇宙结构必然源自于宇宙极早期物质分布的微小涨落，而这些涨落会在宇宙微波背景辐射中留下痕迹。

但是普通物质不可能通过其自身的涨落形成实质上的结构而又不在宇宙微波背景辐射中留下痕迹，因为那时普通物质还未从辐射中脱耦出来。

另外，不与辐射耦合的暗物质，其微小的涨落在普通物质脱耦之前就放大了很多倍。在普通物质脱耦之后，已经成团的暗物质就开始吸引普通物质，进而形成了现在观测到的结构。因此这需要一个初始的涨落，但是它的振幅非常小。这里需要的物质就是冷暗物质，由于它是无热运动的非相对论性粒子故而得名。

如果我们不了解暗物质的性质，就不能说我们已经了解了宇宙。现在已经知道了两种暗物质——中微子和黑洞。但是它们对暗物质总量的贡献是极其微小的，暗物质中的绝大部分现在还不清楚。