发现暗物质宇宙

gating

很高兴和大家在刚刚的知乎Live—— 《探索暗物质宇宙》中聊了暗物质的发展历史。这次Live是我的Live系列——《关于宇宙的基本事实》的第二讲。大家在讨论中提了很多有趣的问题，谢谢大家的参与。这个系列的讲座下一次将讨论《宇宙阶梯和哈勃膨胀》，再下一次会讨论《宇宙中的结构形成》。还请大家继续关注。关于这次的讨论，以及这个系列讲座的建议，大家可以去我自己提的问题 https://www.zhihu.com/question/47577852 下面回答，或者评论。
我自己研究的方向是通过引力透镜效应研究暗物质分布和暗物质性质。暗物质粒子模型和暗物质直接探测，我的了解比较浅，可能有回答错误的地方，也欢迎大家指出。
这次的讨论的提纲，主要基于我最近为赛先生写的一篇科普文章（但是增加了历史细节和更深入的讨论），大家可以参考（原载于《赛先生》，有删节修改，我自己感觉Live讲的比这篇小文章更有意思一些： ） ）

发现暗物质宇宙

1933年，加州理工大学的瑞士天文学家茨威基在研究星系团时发现了奇怪的现象：星系相互之间的速度似乎太快了。星系团是星系的集合体，可以包含数百个明亮的星系，这些星系由共同的引力场束缚。茨威基研究的星系团被称作“后发座星系团(Coma cluster)”，距离银河系3亿光年。茨威基的同事史密斯(Sinclair Smith)用当时世界上最好的望远镜收集了星系团中成员星系的速度。利用引力理论，天文学家可以通过星系的运动速度推断星系团的总质量，星系的运动速度越快，说明束缚它们的引力场越强大，也就意味着星系团的总质量越大。而茨威基通过星系速度推断出星系团质量显得太大了些，要比星系的质量多出几百倍。茨威基一生从不缺乏命名新鲜事物的热情和天才，他很快将星系团中隐藏的质量命名为“暗物质”。但由于缺乏其他的独立观测佐证，在之后的三十年里，暗物质的概念不时被人提起，却又没有人认真对待。


局面在1960年后发生了改变，这一次证据来自临近宇宙中的漩涡星系。长缝光谱仪的发展使得天文学家可以一次拍摄河外星系不同区域的恒星轨道运动速度，也就是所谓的“星系旋转曲线”。和星系团中的星系运动同理，星系中恒星的轨道运动越快，意味着星系质量越大。美国卡内基研究所的Vera Rubin和Kent Ford在此后的十年间系统的调查了近邻星系的旋转曲线。他们的研究表明，所有的旋臂星系外围的恒星似乎都转的太快了，如果星系主要的质量来自发光物质，那么这些星系外围的恒星应该早已逃逸而去。这些近邻的漩涡星系中至少应该包含比发光物质多6倍的暗物质，才能解释观测的旋转曲线。


宇宙中存在不发光的物质本身并没有什么了不起。人们早就知道宇宙中包含大量的不发光的气体，这些气体四分之三是氢元素，四分之一是氦元素，都是宇宙大爆炸初期合成的。由于自身的引力作用，气体会慢慢聚集在一起形成气体云，并进一步密集，最终塌缩。当气体云中心的密度超过热核反应的临界密度，恒星就被点亮了。但恒星远没有用尽宇宙中的氢氦元素，星系中可能存在大量这样的气体，不少人猜测也许它们的质量足以束缚星系外围的恒星，使得它们老老实实的带在星系中不逃离出去。
然而在七十年代，星系团的观测有了新的进展。人们观测到了星系团中的气体。这些气体的温度非常高，达到了10^7度，这使得它们可以发出X-ray辐射。通过X-ray卫星观测，人们就可以估计星系团中气体的质量，而这一质量惊人达到了恒星质量的5倍。但这些新发现的气体却并不能为消失的质量负全责。事实上，热气体的发现反而加剧了质量确实问题，因为这些气体温度太高了，如果没有强大的引力势阱束缚，这些气体就会在很短的时间里从星系团中逃逸殆尽。而束缚这些气体所需要的物质量，又是这些热气体气体质量的10倍左右。
2.     暗物质：宇宙大尺度结构的启示
星系团热气体的发现促使科学家们严肃考虑非重子的暗物质粒子。也就是说，这些看不见的物质也许并不是原子，分子这些构成我们世界的普通物质，而是另一种不在标准模型中的基本粒子。这种暗物质不发出电磁波，也不和可见物质进行相互作用。但天文学家仍然可以通过暗物质的引力效应观测到它。利用广义相对论预言的引力透镜效应，人们甚至可以绘制暗物质在宇宙中的分布。图一是三种观测叠加的图像，显示了著名的“子弹星系团（bullet cluster）”中物质分布的情况。其中，星系图像是光学望远镜拍摄到的。这些星系构成了一个星系团。通过X-ray望远镜，人们可以观测到星系团中热气体的分布，在图片中显示为红色的气体云。而蓝色的晕状成分则显示了由引力透镜分析绘制出的暗物质分布情况。读者可以很容看到图片右侧的锥形气体分布，这说明该星系团刚刚由两个星系团合并而来。星系团A(右侧)像子弹一样打入了星系团B（左侧）的内部。而最右边的蓝色晕，事实上是原本属于星系团A的暗物质。在两个星系团合并的过程中，暗物质因为不和普通物质发生相互作用，于是以更快的速度穿过了彼此，而热气体团块因为受到相互之间的阻力，反而落在了暗物质后面。

那么暗物质是什么样的粒子呢？在70年代暗物质存在被肯定的时候，科学家们一度认为中微子就是暗物质的真身。因为在大统一理论建立后，物理学家们意识到理论上中微子可以具有质量。而七十年代末的实验测量更是显示中微子质量可能在30eV左右。这些测量在现在看来显然是高估了中微子的质量，但却在当时使得人们把中微子看做暗物质最可能的候选者。这样质量很小的粒子，在宇宙早期具有极高的动能，因此被称作“热暗物质”。但与此相对的，理论学家也提出数种“冷”暗物质的候选者。 相比热暗物质，冷暗物质粒子的质量要大的多，在宇宙早期的速度非常低。
如何区分这两种不同的暗物质模型？研究者需要到宇宙的结构中去寻找答案。在大爆炸宇宙学框架下，宇宙的早期处于高温高热的状态，物质密度处处相等，只存在微小的起伏。随着宇宙膨胀，温度降低，物质之间的引力开始推动宇宙中的结构形成。今天我们看到的星球，恒星，星系甚至星系团，都是演化而来。而考虑到暗物质的总质量是普通物质的数倍，这些隐藏的质量事实上主导了宇宙中的结构形成。
80年代，哈佛大学Davis和Simon White, Carlos Frenk, 以及Efstathiou 一道利用计算机数值模拟分析了宇宙中的暗物质演化。他们的研究表明，宇宙中观测到的星系分布结构和冷暗物质宇宙的预言更加相似。
然而暗物质的本质为何，今天我们仍不知道。目前认为最有可能的暗物质模型是WIMP，弱相互作用大质量粒子。但人们仍然没有从对撞机或直接探测器中发现WIMP的真身。暗物质之谜，仍然有待未来的天文学研究者去解开。

ling332601

WIMP这个模型中的暗物质是什么啊？

zhoujingli

脑洞警报，会不会是高维物质，以至于我们在低纬度根本无法观测到，他只是以力的作用表达出来。或以结果的形式表达出来。

好比一个大磁铁，放在下面，我们只看见上面的铁碎屑移动，却永远没发现下面的磁铁在移动

dzlqsq

难道暗物质是打开高维宇宙的钥匙，哈哈哈哈！

lovedwy

没有粒子的物质?