無法形容的強大物質(zhì)

我看到很多朋友說宇宙中的暗物質(zhì)是“透明的”，所以也可以稱其為“透明物質(zhì)”，其實暗物質(zhì)的性質(zhì)遠(yuǎn)非透明，這是一種神秘而又無法形容的強大的物質(zhì)。多年來，物理學(xué)家和天文學(xué)家想從最基本的層面理解暗物質(zhì)的性質(zhì)。它是由新型基本粒子組成的嗎？還是由一些不可見的密度天體（例如黑洞）組成的？如果是粒子組成的，它是否會與重子物質(zhì)相互作用，還是說暗物質(zhì)粒子自身會發(fā)生我們看不見的作用？暗物質(zhì)粒子不止一種嗎？

暗物質(zhì)在星系，乃至在宇宙中的角色都極其重要，宇宙中的暗物質(zhì)無處不在，但卻無法觀測，天文學(xué)家們只能通過一些側(cè)面的引力作用觀測暗物質(zhì)帶來的影響，這就像黑洞，黑洞也無法直接觀測，天文學(xué)家只有在黑洞“進食”的時候才可以觀測。未來，天文學(xué)家希望使用大型地下探測器，太空望遠(yuǎn)鏡或CERN的大型強子對撞機探測暗物質(zhì)粒子。

兩個大型強子對撞機的磁鐵會耦合在一起，藍(lán)色圓柱體包含磁軛和磁偶極線圈，還有冷卻磁體使其超導(dǎo)所需的液氦系統(tǒng)

天文學(xué)家們根據(jù)暗物質(zhì)與星系的相互作用，得出一個新的結(jié)論，即使暗物質(zhì)沒有與重子物質(zhì)（所有星系星云和宇宙超巨大結(jié)構(gòu)，所有可直接觀測物質(zhì)）相互作用，暗物質(zhì)的自相互作用也可以幫助天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)。比如銀河系外圍的暗物質(zhì)與其自身在銀河系中心的暗物質(zhì)相互作用，則銀河系的內(nèi)部結(jié)構(gòu)將有所不同。當(dāng)我們在夜空時看到很多明亮的氣體云和恒星時，也可能“看到了”一種或多種彼此相互作用的暗物質(zhì)粒子。或者，科學(xué)家們可以在實驗室或太空中檢測到與磁場相互作用的粒子，它可能就是暗物質(zhì)粒子。

暗物質(zhì)存在的蛛絲馬跡

對于理論物理學(xué)家或者天文學(xué)家來說，暗物質(zhì)是一個有希望的研究目標(biāo)，因為我們知道它存在，但是我們暫時還不知道它的基本含義，那么我們?yōu)槭裁床恢腊滴镔|(zhì)的基本含義呢？主要是因為到目前為止，暗物質(zhì)與重子物質(zhì)的相互作用非常少，還不足以確定重子物質(zhì)與暗物質(zhì)之間作用的數(shù)據(jù)。

NASA哈勃太空望遠(yuǎn)鏡（藍(lán)色）和錢德拉X射線天文臺（粉紅色）拍攝的六個不同星系團的圖像，這是為了研究星系團在碰撞時暗物質(zhì)所扮演的角色

整個宇宙中有四分之一是暗物質(zhì)，天文學(xué)家們是從其引力效應(yīng)中推斷出來的，而不是通過電磁影響（這是發(fā)現(xiàn)重子物質(zhì)的方式）推斷出來的。暗物質(zhì)是一個復(fù)雜的概念，對于我們來說這會更復(fù)雜，因為我們每個人的五感全部源于電磁相互作用。例如，視覺是基于我們對光的敏感性，這其實就是特定頻率范圍內(nèi)我們對電磁效應(yīng)的敏感性。我們可以看到任何東西，也是因為組成它的原子會發(fā)出或吸收光，我們通過科學(xué)儀器還可以看到原子中電子和質(zhì)子攜帶的電荷。

但是，物質(zhì)不一定由原子組成，宇宙中絕大多數(shù)物質(zhì)是由完全不同的粒子組成的，我們的眼睛看不到?jīng)]有電磁相互作用的物質(zhì)。天文學(xué)家是通過觀察暗物質(zhì)對我們銀河系中恒星的影響（其旋轉(zhuǎn)速度太快，以至于自身物質(zhì)的引力無法束縛）以及星系團中銀河系的運動（還是太快，無法僅由我們看到的物質(zhì)來解釋）來確定暗物質(zhì)的。除了星系引力作用，暗物質(zhì)還在大爆炸后的宇宙微波背景輻射上留下了印記，對超新星爆炸可見物質(zhì)的軌跡造成了影響，等等……

可觀測宇宙模型圖

另外，了解暗物質(zhì)對于了解宇宙的大小，形狀和未來演化極其重要，宇宙中暗物質(zhì)的量將決定宇宙是開放的（無限膨脹），封閉的（擴展到一個界限然后坍塌）還是平坦的（擴展到平衡界限時停止膨脹），了解暗物質(zhì)性質(zhì)也有助于解釋星系和星團的形成和演化。如果沒有暗物質(zhì)，隨著銀河系的不斷旋轉(zhuǎn)，最后銀河系很可能會被撕開。這不會發(fā)生，因為某些力會將銀河系聚集在一起，大家可能會說是引力，但是這需要的引力是非常巨大的，不可能由銀河系中的可見物質(zhì)產(chǎn)生。

暗物質(zhì)與理論粒子

那么暗物質(zhì)到底是什么呢？科學(xué)家有許多關(guān)于暗物質(zhì)到底是什么的推測和理論。一部分科學(xué)家認(rèn)為，這可能是正常的物體，例如冷氣體，暗星系或巨大而又致密的物質(zhì)組成的，其他科學(xué)家認(rèn)為，暗物質(zhì)可能是由早期宇宙中產(chǎn)生的奇怪粒子組成的，這種粒子可能是弱相互作用的塊狀粒子WIMPS或中微子。

遙遠(yuǎn)的類星體的光可以被沿光路的暗物質(zhì)團塊或者星系強大的引力而扭曲，最終將產(chǎn)生了四張扭曲的類星體圖像

為了發(fā)現(xiàn)與證實暗物質(zhì)的存在，天文學(xué)家正在不斷進行一些天文觀測實驗和地面實驗。一些天文觀測已證實暗物質(zhì)的存在，全球天文學(xué)家興奮起來，使用極其敏感的探測器觀測暗物質(zhì)與普通物質(zhì)之間的相互作用，可以證實暗物質(zhì)的存在并闡明其特性。但是，這些相互作用是如此微弱，以至于到目前為止它們都無法直接檢測，這迫使科學(xué)家們建造了越來越敏感的地球軌道探測器。

IceCube原理圖，該設(shè)施具有5160個數(shù)字光學(xué)模塊，這些光學(xué)模塊部署在1450 m至2450 m深度的冰中，可測量TeV能量范圍內(nèi)的中微子

在地球上，科學(xué)家們還使用了IceCube中微子天文臺，這是一個埋在南極洲冰下的實驗室，旨在尋找惰性中微子，惰性中微子僅通過重力與常規(guī)物質(zhì)相互作用，使其成為暗物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論中最受到歡迎的候選粒子之一。中微子可以穿透任何物質(zhì)，這是由于它們很少與正常物質(zhì)相互作用，因此它們可以輕松的穿過幾乎任何物質(zhì)。目前存在三種已知的中微子類型，而惰性中微子是物理學(xué)家們提議的第四類中微子。

其他儀器也在尋找暗物質(zhì)的影響。自2009年發(fā)射以來，歐洲航天局的Planck航天器就一直在繪制宇宙圖。通過觀察宇宙重子物質(zhì)如何相互作用，該航天器可以研究暗物質(zhì)及暗能量的性質(zhì)。除此之外在2014年，費米伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡在伽馬射線視角下繪制了銀河系核心的地圖，揭示了從其核心延伸出的很多伽馬射線暴的情況，通過觀察暗物質(zhì)對這些伽馬射線暴的影響，也可以推斷暗物質(zhì)的一些性質(zhì)。

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡間接觀測暗物質(zhì)與重子物質(zhì)的互相作用

還有很多天文學(xué)家認(rèn)為暗物質(zhì)是由非重子物質(zhì)組成的。主要的候選結(jié)構(gòu)粒子為WIMPS，它也被稱為弱相互作用粒子，與惰性中微子一樣，它們與重子物質(zhì)的弱相互作用使它們很難被發(fā)現(xiàn)，雖然WIMPS還沒有被發(fā)現(xiàn)，但它也是最重要的暗物質(zhì)結(jié)構(gòu)粒子候選者。

面對暗物質(zhì)，我們還是一無所知，我們的理論和數(shù)據(jù)都停留在間接觀測之上，不過沒關(guān)系，未來觀測與尋找中微子的科學(xué)之路還將繼續(xù)下去。暗物質(zhì)，乃至暗能量對宇宙學(xué)來說實在是太重要了，有了暗物質(zhì)與暗能量的性質(zhì)，科學(xué)家們會有更多意想不到的發(fā)明，可以這樣說，了解暗物質(zhì)與暗能量的性質(zhì)就是了解空間的意義?？茖W(xué)在進步，儀器也在不斷發(fā)展，未來隨著觀測方法的不斷發(fā)展，隨著更多太空望遠(yuǎn)鏡升空，暗物質(zhì)的秘密一定會被揭開。