题目

宇宙是由暗物质组成的,那暗物质是怎样来的呢?
要有证据

提问时间：2020-12-17

答案

暗物质
暗物质 Dark material
【Jeremiah P. Ostriker和Paul Steinhardt 著 Shea 译】几十年前,暗物质(dark matter)刚被提出来时仅仅是理论的产物,但是现在我们知道暗物质已经成为了宇宙的重要组成部分.暗物质的总质量是普通物质的6倍,在宇宙能量密度中占了1/4,同时更重要的是,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,但是如果假设它是一种弱相互作用亚原子粒子的话,那么由此形成的宇宙大尺度结构与观测相一致.不过,最近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、演化以及其环境的研究可以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.
大约65年前,第一次发现了暗物质存在的证据.当时,弗里兹·扎维奇（Fritz Zwicky）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根据其中恒星数量计算所得到的值的100倍以上,否则星系团根本无法束缚住这些星系.之后几十年的观测分析证实了这一点.尽管对暗物质的性质仍然一无所知,但是到了80年代,占宇宙能量密度大约20%的暗物质以被广为接受了.
在引入宇宙暴涨理论之后,许多宇宙学家相信我们的宇宙是平直的,而且宇宙总能量密度必定是等于临界值的（这一临界值用于区分宇宙是封闭的还是开放的）.与此同时,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.但事实上,观测从来就没有与此相符合过.虽然在总物质密度的估计上存在着比较大的误差,但是这一误差还没有大到使物质的总量达到临界值,而且这一观测和理论模型之间的不一致也随着时间变得越来越尖锐.
当意识到没有足够的物质能来解释宇宙的结构及其特性时,暗能量出现了.暗能量和暗物质的唯一共同点是它们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.更重要的是,像普通的物质一样,暗物质是引力自吸引的,而且与普通物质成团并形成星系.而暗能量是引力自相斥的,并且在宇宙中几乎均匀的分布.所以,在统计星系的能量时会遗漏暗能量.因此,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.由此,暗能量占主导的宇宙模型成为了一个和谐的宇宙模型.最近威尔金森宇宙微波背景辐射各向异性探测器（Wilkinson Microwave Anisotrope Probe,WMAP）的观测也独立的证实了暗能量的存在,并且使它成为了标准模型的一部分.
暗能量同时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,以及宇宙的过去和未来.加上暗能量的话,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.大约在"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,但是这已成为了过去.现在我们宇宙的未来将由暗能量的特性所决定,它目前正时宇宙加速膨胀,而且除非暗能量会随时间衰减或者改变状态,否则这种加速膨胀态势将持续下去.
不过,我们忽略了极为重要的一点,那就是正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.宇宙尽管在极大的尺度上表现出均匀和各向同性,但是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.而在大尺度上能过促使物质运动的力就只有引力了.但是均匀分布的物质不会产生引力,因此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（CMB）中留下痕迹.然而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没有从辐射中脱耦出来.
另一方面,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许多倍.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,进而形成了我们现在观测到的结构.因此这需要一个初始的涨落,但是它的振幅非常非常的小.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因此得名.
在开始阐述这一模型的有效性之前,必须先交待一下其中最后一件重要的事情.对于先前提到的小扰动（涨落）,为了预言其在不同波长上的引力效应,小扰动谱必须具有特殊的形态.为此,最初的密度涨落应该是标度无关的.也就是说,如果我们把能量分布分解成一系列不同波长的正弦波之和,那么所有正弦波的振幅都应该是相同的.暴涨理论的成功之处就在于它提供了很好的动力学出发机制来形成这样一个标度无关的小扰动谱（其谱指数n=1）.WMAP的观测结果证实了这一预言,其观测到的结果为n=0.99±0.04.
但是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非常微小的,暗物质中的绝大部分现在还不清楚.这里我们将讨论暗物质可能的候选者,由其导致的结构形成,以及我们如何综合粒子探测器和天文观测来揭示暗物质的性质.
最被看好的暗物质候选者
长久以来,最被看好的暗物质仅仅是假说中的基本粒子,它具有寿命长、温度低、无碰撞的特性.寿命长意味着它的寿命必须与现今宇宙年龄相当,甚至更长.温度低意味着在脱耦时它们是非相对论性粒子,只有这样它们才能在引力作用下迅速成团.由于成团过程发生在比哈勃视界（宇宙年龄与光速的乘积）小的范围内,而且这一视界相对现在的宇宙而言非常的小,因此最先形成的暗物质团块或者暗物质晕比银河系的尺度要小得多,质量也要小得多.随着宇宙的膨胀和哈勃视界的增大,这些最先形成的小暗物质晕会合并形成较大尺度的结构,而这些较大尺度的结构之后又会合并形成更大尺度的结构.其结果就是形成不同体积和质量的结构体系,定性上这是与观测相一致的.相反的,对于相对论性粒子,例如中微子,在物质引力成团的时期由于其运动速度过快而无法形成我们观测到的结构.因此中微子对暗物质质量密度的贡献是可以忽略的.在太阳中微子实验中对中微子质量的测量结果也支持了这一点.无碰撞指的是暗物质粒子（与暗物质和普通物质）的相互作用截面在暗物质晕中小的可以忽略不计.这些粒子仅仅依靠引力来束缚住对方,并且在暗物质晕中以一个较宽的轨道偏心律谱无阻碍的作轨道运动.
低温无碰撞暗物质（CCDM）被看好有几方面的原因.第一,CCDM的结构形成数值模拟结果与观测相一致.第二,作为一个特殊的亚类,弱相互作用大质量粒子（WIMP）可以很好的解释其在宇宙中的丰度.如果粒子间相互作用很弱,那么在宇宙最初的万亿分之一秒它们是处于热平衡的.之后,由于湮灭它们开始脱离平衡.根据其相互作用截面估计,这些物质的能量密度大约占了宇宙总能量密度的20-30%.这与观测相符.CCDM被看好的第三个原因是,在一些理论模型中预言了一些非常有吸引力的候选粒子.
其中一个候选者就是中性子（neutralino）,一种超对称模型中提出的粒子.超对称理论是超引力和超弦理论的基础,它要求每一个已知的费米子都要有一个伴随的玻色子（尚未观测到）,同时每一个玻色子也要有一个伴随的费米子.如果超对称依然保持到今天,伴随粒子将都具有相同的质量.但是由于在宇宙的早期超对称出现了自发的破缺,于是今天伴随粒子的质量也出现了变化.而且,大部分超对称伴随粒子是不稳定的,在超对称出现破缺之后不久就发生了衰变.但是,有一种最轻的伴随粒子（质量在100GeV的数量级）由于其自身的对称性避免了衰变的发生.在最简单模型中,这些粒子是呈电中性且弱相互作用的--是WIMP的理想候选者.如果暗物质是由中性子组成的,那么当地球穿过太阳附近的暗物质时,地下的探测器就能探测到这些粒子.另外有一点必须注意,这一探测并不能说明暗物质主要就是由WIMP构成的.现在的实验还无法确定WIMP究竟是占了暗物质的大部分还是仅仅只占一小部分.
另一个候选者是轴子（axion）,一种非常轻的中性粒子（其质量在1μeV的数量级上）,它在大统一理论中起了重要的作用.轴子间通过极微小的力相互作用,由此它无法处于热平衡状态,因此不能很好的解释它在宇宙中的丰度.在宇宙中,轴子处于低温玻色子凝聚状态,现在已经建造了轴子探测器,探测工作也正在进行.
CCDM存在的问题
由于综合了CCDM,标准模型在数学上是特殊的,尽管其中的一些参数至今还没有被精确的测定,但是我们依然可以在不同的尺度上检验这一理论.现在,能观测到的最大尺度是CMB（上千个Mpc）.CMB的观测显示了原初的能量和物质分布,同时观测也显示这一分布几近均匀而没有结构.下一个尺度是星系的分布,从几个Mpc到近1000个Mpc.在这些尺度上,理论和观测符合的很好,这也使得天文学家有信心将这一模型拓展到所有的尺度上.
然而在小一些的尺度上,从1Mpc到星系的尺度（Kpc）,就出现了不一致.几年前这种不一致性就显现出来了,而且它的出现直接导致了"现行的理论是否正确"这一至关重要的问题的提出.在很大程度上,理论工作者相信,不一致性更可能是由于我们对暗物质特性假设不当所造成的,而不太可能是标准模型本身固有的问题.首先,对于大尺度结构,引力是占主导的,因此所有的计算都是基于牛顿和爱因斯坦的引力定律进行的.在小一些的尺度上,高温高密物质的流体力学作用就必须被包括进去了.其次,在大尺度上的涨落是微小的,而且我们有精确的方法可以对此进行量化和计算.但是在星系的尺度上,普通物质和辐射间的相互作用却极为复杂.在小尺度上的以下几个主要问题.亚结构可能并没有CCDM数值模拟预言的那样普遍.暗物质晕的数量基本上和它的质量成反比,因此应该能观测到许多的矮星系以及由小暗物质晕造成的引力透镜效应,但是目前的观测结果并没有证实这一点.而且那些环绕银河系或者其他星系的暗物质,当它们合并入星系之后会使原先较薄的星系盘变得比现在观测到得更厚.
暗物质晕的密度分布应该在核区出现陡增,也就是说随着到中心距离的减小,其密度应该急剧升高,但是这与我们观测到的许多自引力系统的中心区域明显不符.正如在引力透镜研究中观测到的,星系团的核心密度就要低于由大质量暗物质晕模型计算出来的结果.普通旋涡星系其核心区域的暗物质比预期的就更少了,同样的情况也出现在一些低表面亮度星系中.矮星系,例如银河系的伴星系玉夫星系和天龙星系,则具有与理论形成鲜明对比的均匀密度中心.流体动力学模拟出来的星系盘其尺度和角动量都小于观测到的结果.在许多高表面亮度星系中都呈现出旋转的棒状结构,如果这一结构是稳定的,就要求其核心的密度要小于预期的值.
可以想象,解决这些日益增多的问题将取决于一些复杂的但却是普通的天体物理过程.一些常规的解释已经被提出来用以解释先前提到的结构缺失现象.但是,总体上看,现在的观测证据显示,从巨型的星系团（质量大于1015个太阳质量）到最小的矮星系（质量小于109个太阳质量）都存在着理论预言的高密度和观测到的低密度之间的矛盾.
茫茫宇宙中,恒星间相互作用,做着各种各样的规则的轨道运动,而有些运动我们却找不着其作用对应的物质.因此,人们设想,在宇宙中也许存着我们看不见的物质.
20世纪30年代,荷兰天体物理学家奥尔特指出：为了说明恒星的运动,需要假定在太阳附近存在着暗物质；同年代,茨维基从室女星系团诸星系的运动的观测中,也认为在星系团中存在着大量的暗物质；美国天文学家巴柯的理论分析也表明,在太阳附近,存在着与发光物质几乎同等数量看不见的物质.
那么,太阳附近和银道面上的暗物质是些什么东西呢?天文学家认为,它们也许是一般光学望远镜观测不到的极暗弱的褐矮星或质量为木行星30～80倍的大行星.在大视场望远镜所拍摄的天空照片上已发现了暗于14星等,不到半个太阳质量的M型矮星.由于太阳位于银河系中心平面的附近,从探测到的M型矮星的数目可推算出,它们大概能提供银河系应有失踪质量的另一半.且每一颗M型星发光,最多只能有几万年.所以人们认为银河系中一定存在着许许多多的这些小恒星“燃烧”后的“尸体”,足以提供理论计算所需的全部暗物质.
观测结果和理论分析均表明漩涡星系外围存在着大质量的暗晕.那么,暗晕中含有哪些看不见的物质呢?英国天文学家里斯认为可能有三种候选者：第一种就是上面所述的小质量恒星或大行星；第二种是很早以前由超大质量恒星坍缩而成的200万倍太阳质量左右的大质量黑洞；第三种是奇异粒子,如质量可能为20～49电子伏且与电子有联系的中微子,质量为105电子伏的轴子或目前科学家所赞成的各种大统一理论所允许和需求的粒子.
欧洲核子研究中心的粒子物理学家伊里斯认为,星系晕及星系团中最佳的暗物质候选者是超对称理论所要求的S粒子.这种理论认为：每个已知粒子的基本粒子（如光子）必定存在着与其配对的粒子（如具有一定质量的光微子）.伊里斯推荐四种最佳暗物质候选者：光微子、希格斯微子、中微子和引力粒子.科学家还认为,这些粒子也是星系团之间广大宇宙空间中的冷的暗物质候选者.
到现在,已有不少天文学家认为,宇宙中90％以上的物质是以“暗物质”的方式隐藏着.但暗物质到底是些什么东西至今还是一个谜,还待于人们去进一步探索.

2006年1月6日报道,剑桥大学天文研究所的科学家们在历史上第一次成功确定了广泛分布在宇宙间的暗物质的部分物理性质.目前,从事此项研究的科学家们正准备在最近几周内将此项研究结果公开发表.
天文学家们称,根据当前一些统计资料显示,我们平常看不见的暗物质很可能占有宇宙所有物质总量的95%.
在本次这项研究中,科学家们借助强功率天文望远镜(包括架设在智利的甚大天文望远镜VLT --Very Large Telescope)对距离银河系不远的矮星系进行了共达23夜的研究,此后科学家们还通过约7000余次的计算得出结论称：在他们所观测的这些矮星系中,暗物质的含量是其它普通物质的400多倍.此外,这些矮星系中物质粒子的运动速度可达每秒9公里,其温度可达10000摄氏度.
同时科学家们还观测到,暗物质与其它普通物质还有着巨大的差异,如：尽管观测目标的温度是如此之高,但是这样的高温却不会产生任何辐射.据领导此项研究的杰里-吉尔摩教授认为,暗物质微粒很有可能不是由质子和中子构成的.然而在此之前科学家们曾一贯认为,暗物质应该是由一些“冷”粒子构成的,这些粒子的运动速度也不会太高.
暗物质研究专家们还表示,宇宙间最小的连续存在的暗物质片段大小也有1000光年,这样的暗物质片段质量约是太阳的30多倍.科学家们还在此次研究中确定出了暗物质微粒分布的密度,譬如,在地球上每立方厘米的空间如果能够容纳1023个物质粒子,那么对于暗物质来说这么大的空间只能容纳约三分之一的微粒.
早在30年代,瑞士科学家弗里兹-茨维基就设想宇宙间存在着某种不为人所知的暗物质.他还指出,星系群中的发光物质如果只依靠自身的引力将各个星系保持联接在一起,那么它们的量就必须要再增加10倍.而用来弥补这个空缺的就是看不见的重力物质,即我们今天所说的暗物质.尽管暗物质在宇宙间的储藏量比其它普通物质高出许多,但有关暗物质的性质目前科学家们尚不能给予完整的表述.