缺失的暗物质，为何迟迟无法被发现？

ejinjing

我们看到暗物质对于恒星如何在星系内移动，以及星系如何在星系团内如何运动的影响。没有它，我们无法解释如此庞大的物质集合是如何存在的，当然也不能解释它们今天是如何结合在一起的。但我们不知道暗物质是什么。

欢迎来到宇宙中最大的谜团之一：什么构成了宇宙的大部分。我们最好的测量结果表明，宇宙中85%的物质都是由非原子物质组成的“暗物质”。巨大的地下实验是为了捕捉暗物质粒子穿过地球时的一瞬间而建立的，但什么也没有看到。在大型强子对撞机上进行的粒子粉碎实验，我们希望它能创造暗物质，但还没有--至少就我们所知是这样。寻找暗物质从来都不是一件容易的事。但我们没想到会这么难。

暗物质的不出现意味着，意味着已经排除了一些研究人员在十年前才喜欢的许多可能的解释。这迫使我们从根本上重新审视不仅是关于暗物质本质的假设，也是关于我们宇宙早期历史的假设。这是一个长期流传的传奇故事中的最新转折：我们未能探测到构成暗物质的粒子，这表明宇宙的起源可能与我们的想象截然不同。

让我们从我们对这种物质的了解开始。暗物质不是熟悉的原子物质，也不是在瑞士日内瓦附近地下埋藏的大型强子对撞机或其他粒子加速器中产生的任何奇异形式的物质。除了通过引力，它不会与自身或普通物质发生明显的相互作用。它可以像幽灵一样穿过固体物体，并且不会发射、吸收或反射任何容易测量的光。它是看不见的，或者至少几乎是看不见的。

然而，如果没有暗物质，我们不太可能出现在这里。随着星系和星系团的建立，暗物质扮演了脚手架的角色：它聚集成巨大的云，其引力吸引并将原子物质聚集在一起，最终形成星系的发光部分。如果没有暗物质的引力将恒星保持在适当的位置，它们就会飞向外面，在某些情况下会逃逸到星系间的空间。许多星系会解体。

我们还可以通过许多其他方式看到暗物质的印记，例如星系团的引力如何使通过它的光偏转。也许暗物质存在的最好证据来自宇宙微波背景下观察到的温度模式，宇宙微波背景是大爆炸留下的辐射。对这种辐射的测量为我们提供了一张物质在宇宙中如何分布的地图，距离宇宙开始只有几十万年的时间。这张地图告诉我们，我们的宇宙在年轻时非常均匀，密度只有微小的变化。如果没有暗物质的帮助，这些密度变化不可能增长得如此快，以形成星系和当今宇宙的其他大型结构。

十多年前，包括许多物理学家认为我们知道暗物质可能由什么组成：弱相互作用的大质量粒子（WIMP）。顾名思义，这些是相对较重的粒子，除了引力，它们只通过弱核力相互作用，而弱核力也控制着亚原子过程，例如放射性β衰变。WIMP看起来很有说服力，因为我们可以理解他们是如何在早期宇宙中被创造出来的。

在大爆炸后的一百万分之一秒左右的时间里，所有的空间都充满了炽热、致密的等离子体。其中各种粒子，从光子和电子到顶夸克和希格斯玻色子，都在不断地被创造和摧毁。然而，随着空间的扩大，等离子体的温度稳步下降。最终，它不能提供制造更重粒子所需的能量，它们的生产就停止了。

当这种情况发生在一种粒子上时，大多数被摧毁（湮灭）并转换成其他形式的能量。存活的数量取决于粒子相互作用的方式和频率。

这将我们引向了一个令人兴奋的巧合：对于一个粒子物种从大爆炸中涌现出来，其丰度相当于今天暗物质的丰度，它一定是通过一种大约与弱核力一样强大的力量相互作用的。更强的力会导致太多的粒子被摧毁，而更弱的力会让太多的粒子存活下来。弱力的强度似乎恰好解释了暗物质是如何在大爆炸的热中形成的。

但这个故事现在看起来更像是一个童话故事。如果暗物质确实由WIMP组成，我们可以估计它应该通过弱作用力与普通原子物质相互作用的程度，因此设计实验来检测它。这些实验被安置在地下深处的实验室，以避免宇宙辐射的不断轰炸，开始时规模很小，只部署了几公斤晶体材料(如锗、钨酸钙或碘化钠)的探测器，这些探测器对WIMP与正常物质碰撞时产生的光、热和电荷非常敏感。

在过去的二十年中，这些实验的规模和复杂性都大大增加了。最新的迭代是巨大的，部署任何高达数吨的液态氙作为他们的探测器。这些实验--意大利格兰萨索山（Gran Sasso mountain）下的XENON1T，美国南达科他州的LUX和中国四川的PandaX-II--每个实验的灵敏度都大约是2006年运行的最先进的暗物质探测器的1万倍。

“我们找不到WIMP的时间越长，我们就越必须面对他们不存在的可能性”

但他们也没能找到WIMP。唯一一个声称声称已经检测到类似暗物质的唯一实验被称为DAMA。大多数研究人员认为，它接收到的信号几乎肯定是由其他东西产生的：一长串其他实验已经搜索了可能制造出来的WIMP类型，但什么也没看到。

我们对WIMP唯一的另一个可能的证据是从银河系中心发出的奇怪的伽马射线信号的形式。十多年前，科学家在NASA的费米太空望远镜的数据中发现了这个信号。当时花了很长时间才让大多数人相信这是真的。我们继续争论这些伽马射线是由暗物质产生的，还是由其他物质产生的，例如数千颗快速旋转的中子星。目前，我们还不能确定。

无论这个争论的解决方案是什么，我们没有直接检测到WIMP的时间越长，我们就越会被迫面对它们可能不存在的令人不安的可能性。然而暗物质必须存在--替代的解释，例如改变引力以产生同样的效果，似乎不起作用。如果不是WIMP，那么会是什么？

XENON1T探测器，诸如XENON1T这样的大型专用探测器未能发现暗物质

一个全新的世界

一种可能性是暗物质与其他形式的物质和能量的相互作用甚至比我们想象的要少--也许只是通过引力或一些我们甚至还没有发现的微弱的力。这样的粒子将更难在地下实验中探测到或用粒子加速器产生。

问题在于，这些不相互作用的粒子可能会在大爆炸中大量存活下来，并且远远超过我们今天宇宙中暗物质的丰富度。但是，如果它们的相互作用很少，也许这些粒子从一开始就没有大量产生，而只是在宇宙历史的一开始逐渐积累了可观的丰富度。

也可能是暗物质只是几种粒子中的一种，几乎从不与任何已知形式的物质和能量相互作用。这种粒子的“隐藏扇区”将涉及我们从未观察到的力和相互作用，这些力和相互作用允许暗物质以各种丰富的方式进化。这些相互作用可能已经耗尽了暗物质的数量，而不会导致与普通物质的任何可察觉的相互作用。

隐藏扇区粒子可能会相互结合，形成暗核或暗原子。有一天，我们甚至可以发现隐藏扇区元素的周期表。因此，在最近几年流行的所有关于暗物质的看似合理的想法中，这可能是我最喜欢的。

尽管暗物质长期拒绝暴露自己，但大多数物理学家仍然相信它的存在--有利于它存在的证据实在太多了。然而，也有少数人拥护一种截然不同的可能性。他们没有用新的物质形式解释星系周围恒星的运动，而是推测一种不同的引力概念可能是答案。

这些思想属于修正牛顿动力学(MOND)。这就假设引力在地球和我们的太阳系中通常起作用，但在银河系和其他星系的恒星所经历的低加速度环境中有所不同。

在这种情况下，引力实际上比牛顿或爱因斯坦认为的要强。这种引力的加强创造了看不见的暗物质一定存在的错觉。

在过去的几十年中，人们提出了许多版本的修正牛顿动力学，但它们都遇到了一系列的问题，无论是观察上的还是理论上的。也许最大的失败是修正牛顿动力学无法解释在宇宙微波背景下观察到的温度模式，宇宙微波背景是大爆炸的残余辐射。尽管暗物质使我们能够以令人难以置信的细节解释和理解这种光的观测特征，但没有任何版本的修正牛顿动力学能能够达到相同的效果。

使这些问题更加复杂的是，没有任何版本的修正牛顿动力学(MOND)能够解释观察到的星系团的动力学。

这些替代暗物质候选者中的许多都要求进行实验，这与那些旨在寻找WIMP的实验非常不同。一个例子是轴子暗物质实验（ADMX），它位于美国西雅图华盛顿大学，由费米实验室的科学家管理。它使用强大的磁场试图将一种假设类型的超轻暗物质粒子轴子转换为光子。

一些物理学家正试图利用最初设计用于研究中微子的粒子束来产生暗物质。其他人正在设计可调谐的电子电路，可以接收暗物质波的信号，就像无线电接收由光子组成的电磁波一样。甚至还有涉及引力波探测器的想法。这些想法似乎没有太多共同之处，但它们都是通过测试先前被忽视的暗物质的可能性而产生的。

还有一个更戏剧性的可能性，许多宇宙学家正在考虑。我们对暗物质没有出现的惊讶是基于我们目前对早期宇宙的理解。也许我们没有看到这些粒子，是因为暗物质与我们预期的不同。

在大爆炸中产生和幸存下来的暗物质的数量取决于我们的宇宙在其炎热和不稳定的青年时期是如何进化的。我们对宇宙138亿年历史的大部分都有很大了解，但我们没有直接观察到能够让我们研究宇宙大爆炸第二秒的一部分时间，也就是暗物质形成的窗口。

科学家们调查过的一种可能性是，我们的宇宙在这个时代经历了一段短暂的超高速膨胀时期。我们已经认为它在一开始就做了类似的事情，在一个被称为宇宙膨胀的事件中。

另一种稍微不那么爆炸性的膨胀的爆发可能也发生得稍晚一些，仍然在宇宙历史的第二秒的某个时间内。它会稀释早期宇宙中暗物质的数量，从而改变我们对这种物质相互作用的强烈程度的预期以及对我们进行检测的难度的期望。

或者，可能有一群粒子在早期宇宙的某个时间点衰变，消失并产生暗物质。以这种方式产生的暗物质粒子可能是极其微弱的相互作用，这解释了为什么它们这么长时间都没有被发现。

第三种可能性是，我们的宇宙在最初的时刻经历了突然的变化--不仅仅是稳定的冷却，而是完全的相变。我们已经知道了两个这样的转变，在这两个转变中，粒子的性质和它们之间的相互作用在宇宙的第一秒内发生了变化，这就是所谓的QCD相变和电弱相变。但可能还有其他的。暗物质相互作用中的相变可能影响了早期宇宙中暗物质的形成方式，再次改变了我们对今天可能探测到它的各种实验的期望。

现在说正确的答案是上述几种可能性中的一种都还为时过早。也许一个实验性的突破将再次改变游戏规则。但是暗物质的顽固难以捉摸让许多物理学家和宇宙学家感到惊讶和困惑。我们再次回到黑板前，重新审视和修正我们的假设--带着挫伤的自我和更多的谦逊，拼命地试图找到新的方法来理解一个非常黑暗和隐藏的宇宙。

原文地址：今日头条

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所谓暗物质、暗能量在本质上就是一个逻辑学问题，如果暗物质能被发展，吗它还能叫“暗”物质吗？因此，所有暗物质暗能量都应该永永远远不被发现才是王道，一旦被发现就说明以前的假设是错的。