暗物质和宇宙结构

多德德多w

标准宇宙模型是近40年来物理学界最重大的成就之一，此模型可以解释宇宙的物质组成和几何结构。除了星系等物质之外，一些微小的扰动表面还有暗物质的存在，这些暗物质并不与正常的物质发生作用。在标准模型中，宇宙中有5/6的物质由暗物质构成，且标准模型假设暗物质是一种非重子的弱相互作用粒子，在宇宙演化的早期产生。
1933年Zwicky发表了一些不清晰的证据表明在卡玛星云中存在有暗物质，后来相继又有人提出了一些关于暗物质的想法。但是这些想法知道1970年左右都没有引起人们的重视，真正对暗物质的研究可以认为是从1970年开始。当今的宇宙学被分为三个不同的方向：粒子物理、天体物理、计算。从粒子物理中被引申出两个基本的新想法：1.Guth和Linde的宇宙演化理论认为宇宙起源可能与量子涨落以及各种扰动有关 2.暗物质可能是由非重子粒子构成。后续的一些证据将有可能成为暗物质的物质按照最初时期的速度大小分为热、温、冷三类，例如，轻子中微子是热暗物质（HDM）的雏形；超对称粒子和轴子被认为有可能是冷暗物质（CDM）；非标准引力子被认为可能是温暗物质（WDM）。
暗物质和宇宙结构的形成息息相关，但目前的研究对暗物质究竟为何物并没有一个定论，正如前文所说的，有许多微观粒子都被视为暗物质的“候选者”。不同暗物质在宇宙结构方面有着迥然不同的预言，所以人们可以通过天文观测来限制暗物质粒子的属性。
宇宙结构形成的基本原理：宇宙暴涨阶段的量子涨落导致宇宙物质密度场出现微小的涨落。这些涨落的幅度会在引力作用下不断增长，而最小尺度的涨落会首先发展到非线性阶段而坍缩为最小的引力自束缚系统——暗晕。小暗晕会通过合并以及吸积变为越来越大的暗晕，在此过程中气体和暗物质粒子一同坍缩并建立压强引力平衡。随着温度的下降，该平衡被打破，因此将在暗晕中心形成产生一个高密度区域——由于引力的不稳定性，这个高密度气体盘最终会撕裂从而形成星系。
宇宙的结构并不是在所有尺度都存在的，由于暗物质粒子内禀运动带来的自由穿越（free-streaming）会消除Rs尺度以下的涨落，这就意味着在Rs尺度以下将不会存在结构（Rs为一个粒子的典型运动距离）。Rs反比于暗物质粒子的质量，由于Rs和暗物质粒子属性有关，因此不同的暗物质粒子会导致不同结构的形成。例如热暗物质的能量大概是30eV 的量级，所导致的暗晕尺度大概是一个大型星系云那么大；温暗物质的能量量级约为2keV，所产生的结构大概是一个小型星系的暗晕；冷暗物质的质量量级为100GeV，所产生的暗晕结构尺度和地球相当。热暗物质理论由于与实验观测完全不符，因此已经被摒弃——现在冷暗物质模型和温暗物质模型是两个比较有竞争力的理论。
冷暗物质、温暗物质两种模型的比较：
在目前较为流行的冷暗物质模型中，首先会形成尺度和地球相当的暗晕，并且通过并和吸积过程形成越来越大的暗晕——因此在冷暗物质模型中，宇宙中充满了从地球到星系团跨过21个数量级大小的暗晕。
由于暗物质比平常的重子物质多得多，因此宇宙中较大尺度的结构都是在暗物质引力的作用下形成的。在借助超级计算机进行的数值模拟中，我们可以得到预言冷、温暗物质中物质分布的情况。值得一提的是，在宇宙大尺度结构上，冷、温暗物质的分布非常相似：都存在暗晕、纤维结构、空洞等，其差别在于温暗物质宇宙的空洞更空、纤维结构更为光滑。
二者预言的子结构完全不同，温暗物质模型所预言的银河系只存在有限的、大的子结构；冷暗物质模型则认为银河系存在无数个子结构。由于冷暗物质模型关于子结构的预言，为原本比较完善的“标准冷暗物质模型”带来了两朵乌云。
正如前文所说“标准冷暗物质模型”在解释宇宙大尺度结构方面是比较成功的，但是将其应用于我们银河系中却出现了问题，根据“标准冷暗物质模型”的预言银河系应该存在无数个子结构，即卫星星系。银河系大致的结构为：太阳系位于银河系星系盘边缘，距中心约8kpc，在银河系中心到外围约200kpc的区域存在暗物质，这些物质在引力作用下形成了银河系的自引力系统——银河系暗晕。在银河系中科学家发现了一部分子系统：大小麦哲伦星系等。但和预言相比，这些子系统的数目太少了，到现在只找到了十来个。造成这种差异的原因到底是因为冷暗物质模型不正确？还是我们的探测手段不够？这在学术界有很大的争议。于是和对很多其他理论的修补一样，科学家们提出了一些解释希望冷暗物质模型可以“自圆其说”：比如宇宙再电离作用会使小质量暗晕周围的气体逃逸从而无法形成星系，以及人类所处银河系的位置导致很大一部分的卫星星系没有被观测到。。。。。。这种所谓的“银河系卫星星系丢失”现象并没有最终得到确认，如果此现象一旦被确认存在，那温暗物质模型可以很自然地解释这一现象，因为暗物质越温子结构就越少。
另一朵乌云则是银河系卫星星系中心密度轮廓问题。科学观测以及动力学模型的模拟可以对卫星星系中心区域一定范围内的质量进行估计，但结果和冷暗物质模型的预言有着非常大的差异。这个问题被称为“矮星系中心暗物质太少问题（too big to fail）”，这个问题想要在冷暗物质模型的框架内自圆其说则需要靠超新星爆发来解释：卫星星系内部的大质量恒星在死亡时形成超新星爆发喷流，从而带走了许多物质。然而，目前发现的卫星星系都非常暗淡（恒星数目少），是否能产生足够多的超新星爆发还存有疑问。在这多乌云之下，温暗物质模型也无能为力——根据温暗物质模型，矮星系中心会形成一个核球结构，这样的核球结构的尺度需要银河系大小的星系来形成，其内的矮星系根本无法形成！

总结：暗物质的概念首先在上世纪30年代被提出，后来逐渐发现暗物质在宇宙大爆炸早期形成的暗晕对宇宙各种尺度结构的形成有非常大的影响。基于暗物质内禀速度将暗物质分为热、温、冷三类，其中热暗物质模型与实际结果显著不符合已经被摒弃，现在比较流行的是标准冷暗物质模型但是也有两大疑难问题尚未解决。直至目前暗物质的本质是什么仍然需要很多实验、观测去论证。

参考文献：
        [1]Frank CS，White SDM，Dark matter and cosmic structure
[2]高亮，暗物质粒子属性和宇宙结构形成

梦的衣裳323

写一篇物理方面的文章。。。提醒自己仍然是个物理系的学生orz

ssffgsa

其实是期末作业啦。。。不过感觉这个领域还挺有意思

在冰雪中的玫瑰

筆者已发现暗物质就是宇宙大爆炸时产生的普朗克粒子