宇宙中有大量不发光的物质，它们能否解释暗物质问题？

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有关暗物质存在的问题，已经讨论过很多次，而且我们有很好的理论和独立的观测证据表明，宇宙中存在大量的、不可见的质量源。最明显也是我们最熟悉的证据是：星系团中单个星系运行速度异常问题、旋转星系速度曲线异常问题。这些问题都指向了一件事：宇宙存在质量缺失，也就是暗物质问题！

但是我们也知道宇宙中也有很多已知的质量源根本不发光！我们也看不到，例如：死亡恒星、行星、黑洞、宇宙尘埃、冷中性气体以及一些冰岩。那么问题来了，我们看不到的这些物质会不会就是缺失的质量？暗物质呢？下面就谈论下这个问题！

宇宙中充满了不发光的物质，而且数量惊人

我们知道仅仅因为太阳独自一人就占了整个太阳系质量的99.8%，这并不意味着发光的恒星就是宇宙质量全部。现在我们再来看太阳系，从海王星以外就是柯伊伯带，再往外就是奥尔特云！奥尔特云是一团巨大的由冰岩、尘埃组成的云团，向各个方向延伸了大约1光年，包含了数万亿颗小行星和彗星大小的物体，它们的总质量大约是地球的5～100倍，而在太阳系的早期阶段，这个数字可能会更高。

在比太阳系更大的尺度上，我们可以看到在恒星之间也有大量的星际气体和尘埃。从我们自己的银河系来看，星际气体和尘埃也十分明显，横跨天空的银河系平面上分布着大量的“黑色暗带”，这是由于银河系里面的中性气体或尘埃挡住了背景恒星的星光。

在更大的宇宙尺度上，我们知道星系间的气体、尘埃和等离子体无处不在，要比宇宙中发光的恒星质量大得多。那么这些同样看不见的物质形式（气体、尘埃、冰、岩石和行星）有没有可能解释宇宙中质量缺失的问题？也就是暗物质问题？或者说这部分我们看见的物质就是暗物质？

气体和暗天体是否组成了全部的暗物质？

上面这张图片是子弹状星系团相撞后的图像，蓝色部分代表引力透镜效应，粉色部分代表高速气体撞击后发射的X射线，星系相撞后出现了引力位置的不匹配现象（出现两个质量源），这是不是说明了星系中有存在暗物质？其实也不一定，它只能告诉我们没有足够的气体、尘埃来解释所有的引力效应。也说明暗物质不光是宇宙中的冷气体和尘埃！

而且我们也知道，两个星系团相撞以后，发光的物质（星系中恒星）会直接穿过彼此，因为星际空间十分广阔，有很小的几率会出现两个天体相撞。就像两支鸟枪相互射击一样，几乎没有子弹会发生相互碰撞。（看下图子弹路径是这样的，基本不会相撞，恒星也一样）

按照这个思路，气体、尘埃不可能是全部的暗物质，那么我们会认为暗物质可能是地球大小、木星大小或月球大小的暗天体。因为在宇宙中比最小的恒星（包括褐矮星）还要小的天体，由于自身内部的核聚变不会发出任何可见光，所以从技术上讲它们也是“暗”物质（暗天体）。

像这样的暗天体如果在我们的星系中穿行，那么每当有一颗暗天体经过我们的视线时，我们就会看到一个微透镜效应，背景恒星会短暂地变亮，然后又恢复到原来的亮度。我们观察了这些微透镜效应，发现从月球质量的暗天体到质量更大的暗天体，它们的质量总和不可能超过暗物质的百分之一。

那么，宇宙中更小的小行星、冰岩石呢？或者单个的，孤立的原子呢？或者其他我们还不能直接排除的中间尺度呢？这些物质我们都看不到，也探测不出来！因此在理论上，这些普通物质仍然可能是失踪的“暗物质”。这是一个重要的研究途径，但这种研究不能“证明”真正的暗物质存在，因为我们现在知道暗物质不是由正常物质组成的：质子、中子和电子。

探测宇宙中各种组成成分的比例才能解决问题

因此我们需要从另外的角度去思考问题，我们可以通过以下几种方法来找到答案：

测量宇宙中所有物质的总量。（这里面包括我们要寻找的缺失的质量）测量宇宙中正常物质的总量。(或者换一种方法，测量正常物质与总物质的比率。)看看这两个数字是否匹配。(或者比率是“1”还是小于1的某个数字。)

这样就能一劳永逸的解决所有问题，既能知道以上谈论的我们“看不见的”正常物质是否是我们寻找的暗物质，还能知道宇宙中是否存在除了正常物质以外的物质。

我们可以在宇宙中测量许多不同的物理现象，从而得出宇宙的总物质密度是多少。例如，在最大尺度上使用重子声波振荡观察星系聚集的方式（宇宙大尺度结构的形式），而大尺度结构的形成高度依赖于物质的总量。

宇宙微波背景辐射的温度波动（大爆炸留下的余辉和微小密度涨落）可以告诉我们宇宙中物质和能量的总和。通过观察宇宙中物体的红移和距离数据，特别是Ia型超新星的红移和距离数据，也对不同类型的物质和能量存在量提供了一个限制。

微波背景辐射（CMB），重子声波振荡（BAO）超新星红移数据（SNe）

如果我们把所有的数据结合在一起，我们会发现宇宙临界密度的30%到34%以某种形式存在。这是我们需要的一个数字。但我们也可以算出宇宙临界密度中有多少是由正常物质（质子、中子和电子）组成。

当宇宙还很年轻、温度和密度很高的时候，这时的温度并不能形成稳定的原子核；因为在宇宙的热辐射中，高能量光子会将原子核炸成单个的质子和中子。只有当宇宙冷却到某个特定的温度时，核聚变才能进行，从而形成宇宙中最轻的稳定元素和同位素。

但是大爆炸后核融合生成元素的具体比例（多少质子，多少氘，多少氦-3和氦-4，多少锂-7）对宇宙中一个简单的量（重子与光子的比例）极其敏感。(重子可以是质子，也可以是中子。)实际上，我们可以通过观察遥远宇宙中原始气体云来测量各种元素的丰度和比例，自从大爆炸以来，原始气体云几乎没有受到任何影响，几乎没有受到任何恒星形成重元素的污染。

通过宇宙微波背景我们还可以测量原始光子密度，因此我们可以相对容易的计算出整体重子物质的丰度和密度。

总结：暗物质不可能只是一些不发光的普通物质

我们从这些观察中得知，宇宙临界密度中大约由4.5- 5.5%以各种类型的普通物质组成，这意味着无论其他25- 29%的暗物质是什么，它们都不可能是任何类型的普通物质！

而以上的比例也通过观察宇宙微波背景的波动得到了证实，与5%的正常物质和28%的非重子暗物质的混合预测相吻合。

CMB模式的宇宙不仅包含了正常物质，其中还包括暗物质和暗能量。

所以，暗物质不可能只是一些不发光的普通物质形式；暗物质是由标准模型以外的粒子构成！暗物质不仅存在，而且是我们尚未发现的一种全新物质。


原文地址：今日头条