如何探测宇宙的暗物质与暗能量？

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关于暗物质和暗能量的研究由来已久，自19世纪末期20世纪初期“暗体”的概念提出至今，作为可能占宇宙绝大部分质量的存在，我们又是如何对它们进行探测的呢？

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宇宙暗物质与暗能量是至今依然没有解决的两大谜团，暗物质是看不见的，不仅是可见光看不见，其他波段的探测技术也无法找到暗物质。那么暗物质是如何被推测存在，并且被观测证实？因为暗物质有个特点，不与电子发生干扰，但可以通过引力场被动探测到。科学家在对矮椭球星系旋转速度进行观测时发现，如果仅仅依靠可见的星系物质，那么矮椭球星系周围的恒星系统肯定会分裂，必然有一种新的力量起到控制作用。于是科学家推测，在星系周围存在大量的暗物质群，其引力效应可以拖拽住星系，维持一个合理的自转速度。根据引力透镜观测结果、膨胀宇宙学理论的说法，暗物质的密度非常小，但总质量很大。

而暗能量是一种假设中的能量，我们利用现在技术是无法观测到暗能量。这与暗物质不同，暗物质可以被间接预测到，但暗能量不行。而且宇宙中近7成的质能都被暗能量所控制，剩下的都是暗物质和可见的物质。有趣的是，可见的物质在宇宙总质能中还不到5%，剩下的就是暗能量。

目前对暗物质的研究更多一些，因为我们可以预测暗物质在哪儿存在，但暗能量就不行。暗能量可主导宇宙的未来，暗物质却没有这样的能力。暗物质和暗能量之谜目前都没有得到揭开，尤其是暗能量，都无法观测那么还如何研究，因此关于暗能量的研究较少，提出的说法也都是理论上。

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感谢邀请。
宇宙奥妙无穷，人类实在是知之甚少。对暗物质和暗能量的认识也是如此。
目前我们认为，宇宙中只有5%的正常物质，其余25%为暗物质，70%为暗能量。
对宇宙来说，暗物质是最深奥的一个方面。尽管技术在过去的一百年里有了巨大的进步，但暗物质粒子依然很难被检测。因为它们是暗的，不与其他物质相互作用，除非通过微弱的引力。所以，如果你有一个探测器，那么它可能会让粒子通过探测器而不相互作用。

截至目前，我们共有三种探测暗物质的方法。分别是加速器探测、间接探测和直接探测。
第一种加速器探测，通过加速粒子运动到极致，以期在实验室中模拟出宇宙大爆炸初期的运动，得到暗物质粒子。如欧洲大型强子对撞机，不过目前这种探测方法还没有相关成果。
第二种方法是直接探测，简单点来说，就是在地下创造一个实验室，直接探测暗物质粒子和原子碰撞产生的信号。如美国的CDMS、意大利等国的DAMA等。截至目前，曾有美国CDMS地下实验项目组宣布发现2个可能与暗物质粒子有关的事件，但可信度只有75%，没有得到科学界的统一认可。
第三种方法是间接探测，指的是不是直接探测暗物质粒子本身，而是通过探测暗物质湮灭或者衰退后产生的稳定粒子如伽玛射线，正电子，反质子，中微子等。因为从目前我们的科学技术发展情况来看，探测这些可行性更高。
以上这是暗物质探测的几种方法，至于暗能量，用一无所知来说也不为过。最传统的也是最常见的办法，也还只是通过超新星观测，巡天观测等。
最后还是那句话，宇宙奥妙无穷，人类探测路漫漫其修远兮。

小詠。

目前探测或者寻找暗物质的办法共有三种。

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如果我们知道暗物质的形状、大小和行为特征，我们就能揭开星系形成的秘密，甚至可以了解宇宙是如何演变的。

为了寻找暗物质，来自内华达大学雷诺分校（简称UNR）的一组研究人员对长达16年的卫星数据进行了筛查。

寻找暗物质

在整个宇宙的物质组成中，85%为暗物质。但尽管有大量天体物理学证据指向它的存在，然而迄今为止探测暗物质仍然是不可能的，这意味着我们对它知之甚少。
现在，来自UNR的两位教授已经极大地缩小了搜寻暗物质的范围。
关于暗物质的存在形式已经有多种假说，但由安德烈·德雷维安科（Andrei Derevianko）和杰夫·布卢伊特（Geoff Blewitt）组成的UNR团队认为，暗物质源于量子场，并可以形成宏观物体。他们提出，暗物质会聚集成泡沫或墙壁的形状，其范围可超越太阳系。为此，他们决定寻找这样的物体跟地球运行轨道交叉的证据。
UNR团队的想法是，聚焦于可能引起自然基本常数变化（例如夸克质量、电子和电荷）的超轻暗物质场。自然常数的这种变化可能会改变原子的能级，而该团队打算通过监测原子频率来加以测量。GPS卫星要依靠原子钟提供的精确定时信号来运行，所以它们跟这项研究简直是天作之合。

这个原子钟是为上世纪70年代末的首批GPS卫星制造的。
“这就像一堵墙穿过一个由时钟组成的网络，导致一波原子钟故障以银河速度传遍GPS系统，”德雷维安科在接受内华达大学校内媒体Nevada Today采访时表示，“这里的想法是，当暗物质团块跟我们发生交叉时，它会牵拉粒子质量以及粒子之间的作用力。请注意，这种牵力是非常微弱的，否则我们会有所察觉。然而，像原子钟那样超级灵敏的设备，可能会对这种牵力产生反应。”
在科学家提出的假说中，暗物质晕是围绕在星系盘周围以及延伸到可见星系边缘以外的星系组成部分。如果银河系拥有一个暗物质晕，那么地球会以每秒300公里（约为光速的千分之一）的速度穿过它。为了探测暗物质，这支科学家团队致力于寻找可能在地球及其卫星穿过银河系暗物质晕时出现的原子钟故障。
他们对长达16年的数据进行了筛查，这些数据来自方圆5万公里的GPS网络中的32颗卫星以及每隔30秒更新一次的地面GPS设备。
为了处理这些数据，UNR团队调用了全球各地的资源，其中包括NASA的喷气推进实验室（JPL）。德雷维安科向Nevada Today分享了该团队的研究成果：“通过挖掘这些档案数据，我们并未在目前的敏感度水平上发现超轻暗物质畴壁的证据。”
缩小范围

如果我们知道暗物质的形状、大小和行为特征，我们就能揭开星系形成的秘密，甚至可以了解宇宙是如何演变的。这样看来，UNR团队的结论似乎不能叫人满意。
然而，探测暗物质的研究不仅仅是为了得出个别结论，更是在于帮助推进接下来的研究。正如德雷维安科指出的，UNR团队的研究消除了此类暗物质模型的诸多可能性。

此外，研究人员的路线可能是正确的，只不过用来探测暗物质的设备还不够灵敏。
“虽然我们在查看了16年的数据之后没有发现明确的证据，但那可能是因为相互作用更弱一些，或者是（暗物质）拓扑缺陷跟地球运行轨道交叉的频率更低，”本杰明·罗伯茨（Benjamin Roberts）告诉Nevada Today，他是UNR团队发表在《自然-通讯》（Nature Communications）杂志上的论文第一作者，“一些标记表明，它可能是一种更小的拓扑缺陷。”
任何关于暗物质的新研究都是有价值的，即便其结论只是告诉我们不要到哪里去寻找。德雷维安科对这一观点深以为然，他说：“我们距离发现如何探测暗物质以及最终准确定义它是什么和它是什么样的粒子又近了一步。”
翻译：何无鱼
来源：NBC News MACH
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