浅谈宇宙构成中的暗物质（下）

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文 | 陈思进

我在《浅谈比普通物质多五倍的暗物质（上）》（《科普时报》2019年9月6日第3版）一文最后谈到，瑞士天文学家佛里茨·茨威基教授通过“质光比”（即质量比上光度），发现了宇宙之中一定还有我们看不见的质量。因此，茨威基教授最早给这样看不见的物质起名为“Dark matter”（暗物质），这就是暗物质之名的由来。

目前，科学家观测到的星系，其质光比几乎全都大于太阳的质光比。而且，通过测量星系的旋转曲线，大多都与银河系差不多，全是在后半段距离中心越远的位置，它的速度不是降下来，而是趋于稳定的。这说明了，如果牛顿理论没问题的话，那么暗物质就是普遍存在的，我们的银河系并不是个例。现在越来越多的观测现象表明，牛顿理论没有问题。

如，2018年，哈勃空间望远镜发现了DF2星系，通过测量这个星系的旋转曲线，科学家发现，这和牛顿理论预言的那样，即先是上升，后半段降下来，说明这个星系可能不存在（或最多存在少量）暗物质；今年4月，科学家又发现了DF4星系，好像也不存在暗物质，表明了牛顿理论确实没错儿，至少能合理地解释一些星系的行为。

不过，也正因如此，暗物质被科学家越来越被重视了。

那么，如果暗物质真实存在的话，它具有什么特质呢？

能提供引力，因为引入暗物质就是为了解决引力丢失的问题（注：这点和暗能量恰好相反），也就是说暗物质必须要参与引力作用；

看不见，要是能看见就不是“暗”物质了。那为什么看不见呢？科学家猜测那是因为暗物质不参与电磁相互作用，即它本身既不能发光，也不能反光，更不能吸收光，犹如透明一般。

既然暗物质看不见摸不着，科学家有没有办法将它们测试出来呢？

下面就来介绍一下引力透镜效应（Gravitational Lensing）。

根据广义相对论，当背景光源发出的光在引力场（比如星系、星系团及黑洞）附近经过时，光线会像通过透镜一样发生弯曲。光线弯曲的程度主要取决于引力场的强弱。分析背景光源的扭曲，可以帮助研究中间作为“透镜”的引力场的性质。根据尺度与效果的不同，引力透镜效应可以分为强引力透镜效应和弱引力透镜效应。

从数学角度来分析，面质量密度（k）大于1，被定义为强引力透镜区域，小于1为弱引力透镜区域。在强透镜区域一般可以形成多个背景源的像，甚至圆弧（又称“爱因斯坦环”）。而弱透镜区域则产生比较小的扭曲。强透镜方法通过对爱因斯坦环的曲率和多个像的位置的分析，可以估计测量透镜天体质量；而弱透镜方法通过对大量背景源像的统计分析，可以估算大尺度范围天体质量分布，并被认为是现在宇宙学中最好的测量暗物质的方法。

上述这段话可能比较难以理解，让我打个比方来说明吧。

假如我的手是一个大质量天体，当光线在经过这个大质量天体的时候，就会走一个弧线。前面提到了，根据广义相对论的预言，大质量天体会使得时空产生弯曲，而光行走的又是测地线。所以，看起来就会使光线发生偏折，像一个透镜一样。如果我的这只手在正中间，你们看到的我可能就是一个环——“爱因斯坦环”；也可能出现四个像——“爱因斯坦十字”、也可能出现“爱因斯坦弧”等等。

但问题是，有时我们能够看到远方天体的像，出现一个环了，或者出现十字，我们通过计算就会发现，中间用来成像的这个大质量天体或者星系，往往质量严重不足。如果只有我们看到的这点质量，它是不足以造成如此强烈的引力透镜现象的。

因此，有了引力透镜之后，科学家就可以说，我们找到了证明暗物质存在的直接证据，以及如何测量的方法了。

我们再来猜测一下暗物质粒子是什么：会不会是小黑洞，既看不见，质量又足够大？但是，这似乎是不可能的。因为小黑洞寿命极短，还会爆炸；那么会是相对来说稳定不发光的、密度还极大的天体吗？比如中子星、白矮星？然而，经过科学家的研究之后发现，它们不足以弥补丢失的全部质量，只能弥补极小部分。所以，它们也不能被划分为暗物质。

科学家认为，暗物质粒子只能是标准粒子模型之外的粒子，并且作了预言。根据粒子的运动速度（也就是温度），暗物质分为热暗物质、温暗物质、冷暗物质这三种模型。后来，针对宇宙大尺度结构的研究，倾向于宇宙中主要是冷暗物质的解释。

再顺便提一下，暗物质是当代科学的前沿，还有其他理论的另类解释。如有些弦理论物理学家认为，暗物质可能是弦的高频振动：我们身体的每个原子，都代表了我们全身每一个震动的“皮筋”带来的最低的八度音阶。而这些“皮筋”也可以有更高的音阶，这些更高的八度音阶，很有可能就是暗物质。

那么，在这个宇宙中，超过普通物质5倍的暗物质究竟会是什么呢？目前，就科学家所知而言，WIMP粒子是暗物质粒子的最佳候选。

最后，可以这样说，在暗物质领域里，只要能想出信服、并可实验证实的理论，如解释暗物质的起源、究竟是什么的科学家，将有满满一箩筐的诺贝尔奖在等着你们！加油！

原文地址：今日头条

bushuang

我在《浅谈比普通物质多五倍的暗物质（上）》（《科普时报》2019年9月6日第3版）一文最后谈到，瑞士天文学家佛里茨·茨威基教授通过“质光比”（即质量比上光度），发现了宇宙之中一定还有我们看不见的质量。因此，茨威基教授最早给这样看不见的物质起名为“Dark matter”（暗物质），这就是暗物质之名的由来。

哈哈SE7

个人瞎猜：既然恒星当中质量较小的红矮星数量占七成以上，那么是不是质量更小不发光的褐矮星以及流浪行星数量比红矮星还要多得多呢？这些会不会是所谓暗物质的主要组成？