「暗物質」是什麼？維繫星繫結構的重要組成部分

　　2018-09-05 14:45:04　來源: 科普中國網(北京)


　　一、宇宙需要暗物質

　　暗物質（Dark matter）是什麼？你或許壓根兒沒聽說過，又或許你聽說過它，但卻不太清楚它到底是什麼，那今天就由俺老孫來給大家科普一下暗物質。

　　大家應該都知道，我們身邊的物質（如空氣、水、岩石、地球、恆星、星系以及我們人類自己等）都是由原子組成的，而原子又是由質子、中子、電子等粒子組成的，我們暫且把這些物質稱為「普通物質」。

　　但科學家們在分析宇宙的結構時，發現我們能觀測到的「普通物質」並不足以令宇宙維持穩定。因此，科學家確信一定有某種東西在維繫星系的結構。這種東西，它不發射光，也不反射光，所以稱作「暗」。科學家們根據大量的天文觀測，通過超級計算機進行海量計算，發現我們所熟知的「普通物質」占整個宇宙不到5%，另外大約25%是暗物質，70%是暗能量。

　　來自「普通物質」的重力不足使星系形成我們現在所見這樣的結構，恆星間會更為鬆散，這將導致星系無法形成。從這個角度來講，暗物質對於我們的宇宙是非常必要的。如果沒有暗物質，我們現在生活的地球可以存在，但我們所處的銀河系或許會解體，跟太陽類似的恆星排布不會像現在這麼「緊密」，它們甚至會四處散布。那大家可能會有疑問，如果此時此刻暗物質消失了，我們所處的太陽系還會存在嗎？太陽會不會離我們越來越遠，導致地球沒有足夠的光照進而出現生物大滅絕？這個問題大家不用擔心，我們的地球圍繞太陽公轉所需的向心力是由可見的「普通物質」的萬有引力提供的。因此沒有暗物質，地球圍繞太陽的公轉也幾乎不會發生改變，地球現有的生態環境不會受到影響，你還是可以繼續讀完這篇文章的。

　　另一方面，如果暗物質也像「普通物質」一樣是由微觀粒子構成的，那麼每時每刻都應該有大量的暗物質粒子穿過地球。當你在大街上行走時，一呼吸一張嘴，都有可能會「吸入」或「吃到」一些暗物質粒子的，吃到如此神奇的「食物」，不知道大家是什麼感覺呢？

　　二、暗物質的發現史

　　20世紀初，相對論和量子理論的誕生撥開了物理學上空漂浮的兩朵「烏雲」(以太漂移和黑體輻射問題)。然而在20世紀末，人們發現，物理學的天空中又漂浮了兩朵新的「烏雲」，這就是暗物質和暗能量問題。

　　最早提出「暗物質」可能存在的是天文學家卡普坦，他於1922年提出可以通過星體系統的運動間接推斷出星體周圍可能存在不可見的物質。

　　暗物質存在的一個重要證據來自於20世紀70年代。想必很多人都知道，像太陽系一樣，銀河系中的各種星體也在圍繞銀河系的中心轉動，並且按照牛頓萬有引力定律，銀河系外圍的星體的速度將隨著距離增加而減小，就好像我們太陽系中距離太陽最近的水星運動最快，距離最遠的海王星最慢。但美國女天文學家魯賓驚訝的發現，在相當大的範圍內星系外圍的星體的速度是恆定的！這種情況完全不滿足已經被無數次證明的引力定律。這意味著銀河系中可能有大量的不可見物質存在，並且其質量遠大於我們可見星體的質量總和。

　　到了20世紀80年代，科學家正式提出了「暗物質」這個名稱。也是在這個時期，出現了一大批支持暗物質存在的新觀測數據。根據愛因斯坦的廣義相對論,大質量天體可以通過引力使時空發生扭曲，這一點已得到實驗證明。所以當光線通過大質量天體周圍時，本來直線傳播的光被引力給「吸彎了」。那麼，如果暗物質真的存在，且質量很大的話，那麼光線經過星系時會被彎曲得更加厲害，這樣造成最終計算出的星系質量遠比一般天文學觀測方法測量的數值高，由此可以確定暗物質的存在。

　　三、超級計算機對暗物質的預測

　　宇宙中大約有百分之九十五的東西由暗物質和暗能量構成，但至今沒人清楚知道這些究竟是什麼東西。然而一台超級計算機也許知道，利用超級計算機，進行大量計算和理論分析，可以對暗物質的物理本質有更深入和全面的了解。

　　首先，就像我們身邊的「普通物質」都是由原子構成一樣，暗物質也應有其基本組成粒子，但對暗物質的探測已是全世界的科學難題，更不用說組成暗物質的基本粒子。但利用一台超級計算機可以描繪出形成暗物質的粒子輪廓，2016年第一次有超級計算機預測出軸子(假設存在的粒子，是宇宙中暗物質的最佳候選者)的重量，約為一個電子的100億分之一。

　　其次，利用超級計算機對宇宙從大爆炸開始的形成過程進行模擬，或許可以窺探暗物質的由來。模擬結果顯示，宇宙初期聚集在一起的暗物質隨著時間的演變可最終形成星系、星團等大型結構。因此，暗物質可能是一個重要的「黏膠」，將整個宇宙結構「粘」到一起。未來需要研究的問題是，暗物質是否充滿了整個宇宙。

　　另外，2017年英國的宇宙學家們利用超級計算機模擬了不同尺寸的星系在暗物質中的形成和演化過程，成功揭示了暗物質與星系的質量、尺寸、旋轉速度和亮度間的相關性，其結論與天文學家的觀測結果一致。

　　除了用超級計算機對暗物質的預測和模擬，科學家們還希望能直接探測到暗物質，常用的探測方法有3種：地下實驗室直接探測、空間間接探測、對撞機產生暗物質。

　　例如，2015年12月17日，我國發射了以俺老孫名字命名的「悟空」號暗物質粒子探測衛星（屬於空間間接探測方式）。並於2017年11月30日，在國際權威學術期刊《自然》在線發表了探測到的首批成果——一個暗物質可能存在的證據。未來，「悟空」號預計可以在太空繼續服役3到5年，採集更多的數據，相信之後可以提供更多暗物質存在的直接證據。

　　暗物質理論自提出以來，已經成功預測了許多星系尺寸、質量、亮度間的複雜關係，然而迄今為止，宇宙學家仍未能實際觀測到暗物質的存在，並且目前我們仍不了解它到底是什麼，因此對於暗物質的理論分析和實驗探測顯得更加重要。

　　浩瀚宇宙，我們能看到、能探測到的物質只是極小一部分，無論我們人類多麼認為自己是萬物之王，但其實我們只是宇宙中一些不能再弱小的「塵埃」而已。

　　因此，讓我們去仰望星空，追尋宇宙運轉的真理吧！

　　作者：王建林 橘子科普團隊 中科院物理所博士

　　審稿人：北京工業大學教授 科普中國特聘專家 於乃功