暗物质 暗物质是现代天体物理学和宇宙学中最引人入胜的谜团之一。尽管它构成了宇宙物质的大部分，但其基本性质仍然难以捉摸。暗物质不会发射、吸收或反射可探测到的光，因此对于依赖电磁辐射的望远镜来说，它是不可见的（“暗”的）。然而，它对星系、星系团以及宇宙大尺度结构的引力效应是不可否认的。
在本文中，我们探讨：
- 历史线索和早期观察
- 来自星系自转曲线和星系团的证据
- 宇宙学和引力透镜证据
- 暗物质粒子候选者
- 实验搜索：直接搜索、间接搜索和对撞机搜索
- 未决问题和未来展望
1. 历史线索和早期观察
1.1 弗里茨·兹维基与失踪的弥撒（1930年代）
暗物质的第一个强烈暗示来自 弗里茨·兹维基 在 20 世纪 30 年代初期。在研究 后发团 星系，Zwicky 测量了星系团成员的速度，并应用了 维里定理 （该公式将束缚系统的平均动能与其势能联系起来）。他发现，星系团的运动速度如此之快，以至于如果星系团的质量仅相当于恒星和气体的质量，它应该已经分散了。为了保持引力束缚，星系团需要大量的“缺失质量”，兹维基称之为“Dunkle Materie”（德语，意为“暗物质”）[1]。
结论： 星系团所含的质量远远超过可见的质量，这表明存在一个巨大的看不见的组成部分。
1.2 早期怀疑论
几十年来，许多天体物理学家对大量不发光物质的概念一直持谨慎态度。一些人倾向于其他解释，例如大量暗淡恒星或其他暗淡天体，甚至对引力定律进行了修正。但随着后续证据的不断增加，暗物质逐渐成为宇宙学的核心支柱。
2. 来自星系自转曲线和星系团的证据
2.1 Vera Rubin 和星系旋转曲线
20 世纪 60 年代和 70 年代出现了一个重大转折点， 薇拉·鲁宾 和 肯特·福特，谁测量了 旋转曲线 包括仙女座星系（M31）[2]在内的螺旋星系。根据牛顿力学，如果星系的大部分质量集中在星系中心核球附近，那么远离星系中心运行的恒星的运动速度应该更慢。然而，鲁宾发现，恒星的自转速度在可见物质减少的范围内保持恒定，甚至有所上升。
含义： 星系拥有由“不可见”物质组成的延伸晕。这些 平坦旋转曲线 强烈地强化了存在一个主要的、非发光质量成分的观点。
2.2 星系团和“子弹星系团”
进一步的证据来自星系团动力学。除了兹维基最初对后发座星系团的观测之外，现代测量结果还表明，根据星系速度和 X射线气体观测 也超出了可见物质的预算。一个特别引人注目的例子是 子弹集群 （1E 0657-56），在星系团碰撞中观测到。 透镜质量 （根据引力透镜推断）与大部分发出X射线的高温气体（普通物质）明显分离。这种分离有力地证明了暗物质是不同于重子物质的实体[3]。
3. 宇宙学和引力透镜证据
3.1 大尺度结构形成
宇宙学模拟表明，早期宇宙存在微小的密度波动，如 宇宙微波背景辐射（CMB）。这些波动随着时间的推移逐渐形成我们今天所看到的庞大的星系和星团网络。 冷暗物质（CDM）——通过引力聚集的非相对论粒子——在加速结构生长方面发挥着至关重要的作用[4]。如果没有暗物质，我们很难在宇宙大爆炸以来的时间内解释观测到的大规模宇宙网。
3.2 引力透镜
根据 广义相对论质量使时空结构弯曲，从而弯曲了在其附近传播的光的路径。 引力透镜 对单个星系和大质量星系团的测量结果一致表明，总引力质量远大于发光物质本身。通过绘制背景源的畸变图，天文学家可以重建潜在的质量分布，并经常发现大量不可见质量的晕[5]。
4. 暗物质粒子候选者
4.1 WIMP（弱相互作用大质量粒子）
从历史上看，最受欢迎的暗物质候选类别是 弱相互作用重粒子。这些假设的粒子将是：
- 大质量（通常在 GeV–TeV 范围内）
- 稳定（或寿命很长）
- 仅通过重力和可能的弱核力相互作用。
WIMP 优雅地解释了暗物质如何在早期宇宙中以正确的速度产生 遗迹密度—通过一个被称为“热冻析”，随着宇宙的膨胀和冷却，与普通物质的相互作用变得太少。
4.2 轴子
另一个有趣的可能性是 轴子，最初提出是为了解决量子色动力学（QCD）中的“强CP问题”。轴子是一种轻的赝标量粒子，在早期宇宙中可以产生足够多的粒子来解释暗物质。类轴子粒子是一个更广泛的类别，可以在各种理论框架中出现，包括弦理论[6]。
4.3 其他候选人
- 惰性中微子：较重的中微子不通过弱力相互作用。
- 原始黑洞（PBH）：假设黑洞在宇宙早期形成。
- 暖暗物质（WDM）：比 WIMP 更轻的粒子，可能解决小尺度结构问题。
4.4 修改重力？
一些科学家提出了对重力进行修改的建议，例如 MOND（修正牛顿动力学） 或更通用的框架（e.g., TeVeS），以避免引入新的奇异粒子。然而，“子弹星团”和其他引力透镜证据强烈表明，实际存在的暗物质成分——一种可以从普通物质中取代的物质——能够更好地解释这些数据。
5. 实验搜索：直接搜索、间接搜索和对撞机搜索
5.1 直接探测实验
- 目标：在灵敏的探测器中观察暗物质粒子和原子核之间的罕见碰撞，这些探测器通常位于地下深处以屏蔽宇宙射线。
- 示例： 氙气， LZ， 和 PandaX （氙气基）； 超级CDMS （基于半导体）。
- 地位：目前还没有明确的检测结果，但实验达到的横截面灵敏度越来越低。
5.2 间接检测
- 目标：在暗物质密集的区域寻找暗物质湮灭或衰变的产物，例如伽马射线、中微子或正电子（e.g.，银河系中心）。
- 设施： 费米伽马射线太空望远镜， 辅助医疗系统 （国际空间站上的阿尔法磁谱仪） 赫斯， 冰立方。
- 地位：出现了一些有趣的信号（e.g.，即银河系中心附近的 GeV 伽马射线过量），但没有一个被证实为暗物质。
5.3 对撞机搜索
- 目标：创建暗物质粒子（e.g.，WIMPs）在高能碰撞（质子-质子碰撞）中 大型强子对撞机）。
- 方法：寻找大型活动 缺失横向能量（MET），暗示着看不见的粒子。
- 结果：迄今为止，尚无确凿证据证明存在与 WIMP 相符的新物理学。
6. 未决问题和未来展望
尽管有大量引力证据表明暗物质的存在，但它的确切身份仍然是物理学中尚未解决的重大问题之一。目前仍有几条研究线索：
- 下一代探测器
- 更大、更灵敏的直接探测实验旨在更深入地探索 WIMP 参数空间。
- 轴子晕镜（如 ADMX）和先进的谐振腔实验寻找轴子。
- 精密宇宙学
- 观察 中子束 （通过普朗克和未来的任务）和 大型结构 （LSST、DESI、欧几里得）完善对暗物质密度和分布的限制。
- 将这些数据与改进的天体物理模型相结合有助于排除或限制非标准暗物质情景（e.g.、自相互作用暗物质、暖暗物质）。
- 粒子物理与理论
- 到目前为止，WIMP 特征的缺失引发了人们对其他可能性的更广泛探索，例如亚 GeV 暗物质、隐藏的“暗区”或更奇特的框架。
- 这 哈勃张力—测量到的膨胀率存在差异—导致一些理论家探索暗物质（或其相互作用）是否发挥了作用。
- 天体物理探测器
- 对银河系晕中的矮星系、潮汐流和恒星运动的详细研究可以揭示可能区分不同暗物质模型的小尺度结构细节。
结论
暗物质 暗物质是我们宇宙学模型的基石，它塑造了星系和星团的形成，并解释了宇宙中大部分物质的构成。然而，我们尚未直接探测到它，也未理解它的基本特性。从 Zwicky 的“缺失质量”问题 借助当今先进的探测器和天文台，人们正在不断探索暗物质的真正本质，并且这种探索正在不断深入。
风险很高：确认的探测或决定性的理论突破可能会重塑我们对粒子物理学和宇宙学的理解。无论是 弱相互作用重粒子， 轴子， 惰性中微子，或者是某种完全无法预见的现象，发现暗物质将成为现代科学最伟大的成就之一。
参考文献及延伸阅读
- Zwicky，F.（1933 年）。 “Die Rotverschiebung von extragalaktischen Nebeln。” 瑞士物理学报， 6，110–127。
- 鲁宾，VC， & Ford，WK（1970）。 “从发射区域的光谱调查看仙女座星云的旋转。” 《天体物理学杂志》， 159，379–403。
- Clowe，D.，Gonzalez，A.， & Markevitch，M.（2004）。 “相互作用星团 1E 0657–558 的弱透镜质量重建：暗物质存在的直接证据。” 《天体物理学杂志》， 604，596–603。
- 布卢门撒尔，GR，费伯，SM，普里马克，JR， & Rees，MJ（1984）。 “具有冷暗物质的星系和大尺度结构的形成。” 自然， 311，517–525。
- 泰森，JA，科汉斯基，GP， & Dell'Antonio，IP（1998）。 “强透镜效应下的 CL 0024+1654 详细质量图。” 天体物理学杂志快报， 498，L107–L110。
- Peccei，RD， & Quinn，HR（1977）。 “瞬子存在下的CP守恒。” 物理评论快报， 三十八，1440–1443年。
其他资源
- Bertone，G.， & Hooper，D.（2018）。 “暗物质的历史。” 现代物理学评论， 90，045002。
- 图林，S.， & Yu, H.-B. (2018)。 “暗物质自相互作用和小尺度结构。” 物理报告， 730，1–57。
- Peebles，PJE（2017）。 “暗物质。” 美国国家科学院院刊， 112，12246–12248。
通过天文观测、粒子物理实验和创新理论框架的协同作用，科学家们正逐渐接近理解暗物质的真正身份。这段旅程将重塑我们对宇宙的认知，并可能最终揭示超越标准模型的下一个物理学前沿。