暗物质是否存在替代品，它如何加深我们对宇宙的理解？

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关于神秘的暗物质，我们所熟知的是它并不可见，且占据了宇宙物质的主要组成部分。科学家们将其用于描述可以从其引力效应推断存在、但不发射或吸收可检测光量的一种物质。比如，螺旋星系的旋转速度、星系团中的随机运动、背景物体的引力透镜，以及观察到的宇宙微波背景辐射的波动需要存在额外的重力，都可以通过暗物质的存在得到合理的解释。就目前的探索而言，我们可以确定的是暗物质不可能为重子物质，那么，暗物质是否存在替代品，它如何加深我们对宇宙的理解？

暗物质在星系中是怎样的存在

我们都知道，测量物质围绕物体运动的加速度，是确定某种物体质量最基本的方法。例如，我们可以通过测量在已知距离处，绕太阳运行的行星的向心加速度，以确定太阳必须具有产生该加速度的质量。许多后来的研究也证实了这一发现，并且已经出现的一般情况是，星球和气体盘中嵌入一个大的球状暗物质晕。而较大的椭圆星系具有延伸的热气体气氛，并且，似乎处于平衡状态，热气体的压力与星系中所有质量的引力平衡。

科学家们使用了钱德拉和其他X射线望远镜来测量热气压力，并通过光学望远镜观测来确定恒星的质量，最后得出结论：在恒星和气体中，并没有足够的质量来提供必要的引力，椭圆星系的暗物质质量必须是恒星和气体中存在量的五倍。总所周知，矮星系是微弱且不显眼的系统，只有几百万颗恒星，但它们最终可能在理解暗物质方面发挥关键作用。科学家们通过对附近矮星系中恒星随机运动的测量表明，这些星系可能比正常星系需要更大比例的暗物质，因为，它们可能是搜索暗物质粒子衰变或湮灭，可能导致的X射线或伽马射线的最佳位置。

暗物质在星系团中的主导地位

关于暗物质的第一个迹象，来自于1933年科学家Fritz Zwicky对Coma星系团中星系随机运动速度的研究。他发现需要比恒星中检测到的物质多10至100倍，才能使星系团不会分开。一种可能性是所谓的“缺失物质”，这是用光学望远镜都检测不到的热气体形式，但实际上，在过去的二十年中，X射线望远镜在星系团中发现了数百万度的巨大气体云。这些热的气体虽然增加了群集的质量，但还不足以解开这个谜团。相反，星系团中的热气体却提供了对暗物质的单独确认。与巨型椭圆星系一样，通过科学家们对星系团中热气压的测量表明，所有恒星和气体物质必须是观测量的5-6倍，或者星团中的热气体会逃逸。

根据爱因斯坦的广义相对论，空间会在强引力场附近弯曲，而由重力引起的空间翘曲的一个后果是，来自背景星系的光线在通过星团附近时会发生弯曲，就像玻璃镜头弯曲光线一样。星系的图像被这种称为“引力透镜”的效应所扭曲，而其数量取决于星团的质量，该方法估计了星系团中的暗物质量，并且与X射线观测结果非常吻合。所谓的强引力透镜，指的是通过大质量星系团，从背景星系的弯曲光来估计星团的质量，背景星系的弱引力透镜会产生扭曲的图像，可以对其进行分析并估计聚类的质量。

暗物质和宇宙微波背景辐射

宇宙微波背景辐射，揭示了宇宙只有几十万年前的样子，早在星系和星系团形成之前。此时宇宙是一种膨胀气体，主要由质子、电子、光子、中微子和暗物质组成。宇宙微波背景辐射的强度在所有方向上几乎相同，但并不完全相同。科学家们已检测到百分之几的小变化，而这些变化或波动是由于物质块，比平均温度更热或更冷而导致。对于光子、质子、中微子和暗物质的不同混合物，可以计算在热的膨胀气体中，团块生长的速率。研究人员将这些计算与微波背景观察（尤其是威尔金森微波各向异性探测器或WMAP）和其他数据进行比较表明，宇宙含有的暗物质比正常物质多6倍左右。许多不同的证据都表明，星系、星系团和整个宇宙中的暗物质质量大约是普通重子物质（如质子和中子）质量的5到6倍。

暗物质是否也存在可替代品

虽然暗物质的证据是广泛而深刻的，但它仍然是间接的，并且是基于牛顿提出、并由爱因斯坦扩展的运动和引力定律的假设。如果还存在另一种可能性，那就是重力的改变可以解释归因于暗物质的影响。基本思想是在非常低的加速度下，对应于大距离，通常情况下的万有引力定律被修改。而科学家们研究最多的是这些修改，这被称为改良牛顿动力学或MOND。根据这个假设，重力在低加速度时下降得更慢，与距离相反，而不是与距离的平方成反比。使用这个方法，需要较少的质量来解释观测到的星系外边缘的旋转，或星系团中的热气压力，而不是牛顿的爱因斯坦理论。通过调整这些理论参数，可以消除对暗物质的需求。

虽然MOND在解释星系观测方面取得了一些成功，但它和其他涉及改变万有引力定律的理论，却受到了星系团1E0657-56（又称子弹星团）观测的严重挑战。以下附图显示了产生热X射线的气体（粉红色）和来自星系（橙色和白色）中恒星的光学光。X射线观测显示，子弹星团由两个高速碰撞的大型星系团组成，科学家们利用引力透镜技术推断出星团（蓝色）中的总质量浓度与热气体的总质量浓度是分开的。这种分离可能是由于气体粒子相互高速碰撞产生的，而恒星和暗物质则不受影响，它不能用以热气体颗粒为中心的改变的重力定律来解释，并直接表明了子弹群中的大部分物质都是暗物质。

天体物理学中的暗物质到底是什么

关于暗物质到底是什么，科学家们尚且没有确定的答案，但我们已经越来越清楚它不可能是什么。通过WMAP卫星对宇宙微波背景的详细观测可以表明，暗物质不能是正常的重子物质形式，即构成恒星、行星和星际物质的质子和中子。这排除了热气、冷气、褐矮星、红矮星、白矮星、中子星和黑洞。黑洞看上去似乎是理想的暗物质候选者，它们确实非常黑暗，然而，恒星质量黑洞是由大质量恒星的坍塌所产生，这些恒星比普通恒星更为稀少，恒星至少包含暗物质质量的五分之一。此外，产生足够黑洞来解释暗物质的过程，会释放出大量的能量和重元素，然而，并没有证据表明存在这样的释放。

非重子候选人可以分为几个大类，热暗物质是指粒子，例如已知类型的中微子，当形成星系和星系团的团块开始生长时，这些粒子以接近光速的速度移动；冷暗物质指的是，在银河系前团块开始形成时，那些缓慢移动的粒子；而温暖的暗物质是指速度介于冷热暗物质之间的粒子。在膨胀的宇宙中，这种分类对于可以坍缩的团块的大小具有观察性后果，热的暗物质粒子移动得如此之快，以至于星系质量的团块会很快散开。只有具有成千上万的星系云，即星系团的大小才能形成，随着大型群集大小的云层在自上而下的过程中碎裂，各个星系也将形成。

相比之下，冷暗物质可以形成星系大小或更小的团块。星系将首先形成并合并成群，在自下而上的过程中分组成星团。钱德拉的观测显示了这样的例子，它们都是由许多由星系团和子星团合并构建的星团。这和其他证据一起表明了，星系比星系团更老，并强烈支持了冷暗物质替代物。冷暗物质的主要候选物，被科学家们称为一种叫做WIMP的粒子，也是一种用于弱相互作用的大质量粒子。并且，不管怎样，许多物理科学家和天文科学家都乐观地认为，未来几年内将会进一步发现暗物质粒子的确凿证据。当然，如果没有跟预期的一样，那么，他们将面临比现在面对的神秘面纱更为深奥。


本文选自：今日头条