探索解读暗物质物理学，清晰了解宇宙细节

以神的名义屑

暗物质是一种假设的物质形式，被认为占宇宙中大约 85% 的物质。
暗物质之所以被称为“暗”，是因为它似乎不与电磁场相互作用，这意味着它不吸收、反射或发射电磁辐射，因此难以探测。
各种天体物理观测——包括目前公认的引力理论无法解释的引力效应除非存在比可见更多的物质——这意味着暗物质的存在。
出于这个原因，大多数专家认为暗物质在宇宙中很丰富，并且对其结构和演化产生了强烈的影响。
暗物质的主要证据来自计算表明，如果许多星系不包含大量看不见的物质，它们的行为就会大不相同。一些星系根本不会形成，而另一些星系不会像现在这样移动。
其他证据包括引力透镜和宇宙微波背景的观测，以及对可观测宇宙当前结构的天文观测、星系的形成和演化、星系碰撞期间的质量位置，以及星系团内星系的运动. 在宇宙学的标准Lambda-CDM 模型中，宇宙的总质能含量包含 5% 的普通物质、26.8% 的暗物质和 68.2% 的一种称为暗能量的能量形式。
因此，暗物质占总质量的 85% ，而暗能量和暗物质占总质能含量的 95%。


因为还没有人直接观察到暗物质——假设它存在——它几乎不能与普通的重子物质和辐射相互作用，除非通过引力。暗物质被认为是非重子的；它可能由一些尚未被发现的亚原子粒子组成。
暗物质的主要候选者是一些尚未被发现的新型基本粒子，特别是弱相互作用大质量粒子(WIMP)，许多直接探测和研究暗物质粒子的实验正在积极进行，但还没有人成功。
暗物质根据它的速度（更准确地说，它的自由流动长度）被分为“冷”、“暖”或“热”。目前的模型倾向于冷暗物质场景，其中结构通过粒子的逐渐积累而出现。
尽管科学界普遍接受暗物质的存在，一些天体物理学家对普通暗物质无法很好解释的特定观察结果很感兴趣，主张对广义相对论的标准定律进行各种修改。
这些包括修正的牛顿动力学、张量-矢量-标量引力或熵引力。这些模型试图在不调用补充性非重子物质的情况下解释所有观察结果。


早期历史

暗物质假说有着悠久的历史。在 1884 年的一次演讲中， 开尔文勋爵根据观察到的围绕银河系中心运行的恒星的速度分散估计了银河系中暗体的数量。
通过使用这些测量值，他估计了星系的质量，他确定该质量与可见恒星的质量不同。开尔文勋爵因此得出结论：“我们假设的数亿颗恒星中有许多，也许其中的绝大多数，可能是暗体”。
1906年，亨利庞加莱在“银河系与气体理论”中使用法语术语matière obscure（“暗物质”）来讨论开尔文的工作。
荷兰天文学家Jacobus Kapteyn在 1922 年第一个使用恒星速度提出暗物质的存在。 1930 年的一份出版物指出瑞典人Knut Lundmark是第一个意识到宇宙必须包含比我们更多的质量的人可以观察。
荷兰人和射电天文学先驱扬·奥尔特 (Jan Oort)也在 1932 年假设暗物质的存在。奥尔特正在研究当地银河系附近的恒星运动，发现银河平面的质量必须更大比观察到的要多，但后来确定该测量是错误的。


1933 年，在加州理工学院研究星系团的瑞士天体物理学家Fritz Zwicky做出了类似的推论。 Zwicky 将维里定理应用于Coma Cluster并获得了看不见的质量的证据，他称之为dunkle Materie（'暗物质'）。
兹维基根据其边缘附近星系的运动估计了它的质量，并将其与基于其亮度和星系数量的估计进行了比较。他估计星团的质量是肉眼可见质量的 400 倍。
可见星系的引力效应对于如此快速的轨道来说太小了，因此必须隐藏质量。基于这些结论，兹维基推断出一些看不见的物质提供了质量和相关的引力，将星团聚集在一起。
Zwicky 的估计偏差超过一个数量级，这主要是由于哈勃常数的值已过时；今天相同的计算显示更小的分数，使用更大的发光质量值。尽管如此，兹维基确实从他的计算中得出正确的结论，即物质的大部分是暗物质。
质光比异常的进一步迹象来自对星系旋转曲线的测量。1939 年，Horace W. Babcock报告了仙女座星云（现在称为仙女座星系）的旋转曲线，这表明质光比呈径向增加。
他将其归因于星系内的光吸收或螺旋外部的动态变化，而不是他发现的缺失物质。继巴布科克1939 年关于仙女座星系外围异常快速旋转且质光比为 50 的报告之后；1940 年，扬·奥尔特 (Jan Oort)发现并撰写了有关NGC 3115的大型不可见晕的文章。


1970年代

Vera Rubin、Kent Ford和Ken Freeman在 1960 年代和 1970 年代的工作提供了进一步有力的证据，同样使用了星系自转曲线。鲁宾和福特使用一种新的光谱仪来更准确地测量边缘螺旋星系的速度曲线。
这一结果在 1978 年得到证实。一篇有影响力的论文介绍了鲁宾和福特在 1980 年的结果。他们表明，大多数星系所包含的暗质量必须是可见质量的六倍左右；因此，到 1980 年左右，对暗物质的明显需求被广泛认为是天文学中尚未解决的主要问题。
在鲁宾和福特探索旋光曲线的同时，射电天文学家正在利用新的射电望远镜绘制附近星系中 21 厘米长的原子氢线。星际原子氢 ( HI )的径向分布通常延伸到比光学研究所能达到的更大的星系半径，从而将旋转曲线的采样——以及总质量分布的采样——扩展到一个新的动力学体系。
使用格林班克的 300 英尺望远镜和乔德雷尔班克的 250 英尺望远镜对仙女座星系进行的早期测绘已经表明，HI 旋转曲线并未追踪预期的开普勒下降。随着更灵敏的接收器的出现，Morton Roberts 和 Robert Whitehurst能够将仙女座的旋转速度追踪到 30 kpc，远远超出了光学测量。
的图 16 说明了在大半径下追踪气体盘的优势，该论文 的图 16将光学数据（半径小于 15 kpc 的点簇和更远的单个点）与 HI 数据相结合在20-30 kpc之间，表现出外星系自转曲线的平坦度；在中心达到峰值的实曲线是光学表面密度，而另一条曲线显示累积质量，在最外面的测量值处仍然线性上升。


与此同时，正在开发用于河外 HI 光谱的干涉阵列。1972 年，David Rogstad 和Seth Shostak发表了用 Owens Valley 干涉仪绘制的五个螺旋的 HI 旋转曲线；所有五个的旋转曲线都非常平坦，表明它们扩展的 HI 磁盘的外部具有非常大的质光比值。
80 年代的一系列观测支持暗物质的存在，包括星系团对背景物体的引力透镜效应，星系和星系团中热气体的温度分布，以及宇宙微波背景中的各向异性模式。根据宇宙学家的共识，暗物质主要由一种尚未表征的亚原子粒子组成。通过多种方式寻找这种粒子是粒子物理学的主要努力之一。
技术定义

在标准宇宙学中，物质是任何能量密度与比例因子的倒立方成比例的物质，即ρ ∝ a 3。这与辐射形成对比，辐射是比例因子ρ ∝ a 4的四次方的倒数，和一个独立于a 的宇宙学常数。物质和辐射的不同比例因子是辐射红移的结果：
例如，在通过广义相对论中的宇宙膨胀逐渐将可观测宇宙的直径加倍之后，a已经加倍。的能量宇宙背景辐射减半（因为每个光子的波长加倍）；超相对论粒子的能量，例如早期标准模型中微子，同样减半。
（然而，在现代宇宙时代，这个中微子场已经冷却并开始表现得更像物质而不像辐射。）宇宙学常数作为空间的固有属性，具有恒定的能量密度，无论所考虑的体积如何。
原则上，“暗物质”是指宇宙中不可见但仍服从ρ ∝ a 3的所有成分。在实践中，术语“暗物质”通常仅指暗物质的非重子成分，即不包括“缺失的重子”。上下文通常会指明所要表达的意思。


免费流媒体长度

暗物质可分为冷、暖和热三类。这些类别指的是速度而不是实际温度，表明相应的物体在早期宇宙中由于随机运动而移动了多远，在它们因宇宙膨胀而减慢之前——这是一个重要的距离，称为自由流动长度( FSL ) . 当粒子从高密度区域扩散到低密度区域时，小于此长度的原始密度波动会被冲掉，而较大的波动则不受影响；因此，这个长度为以后的结构形成设定了一个最小尺度。
这些类别是根据原星系（后来演变成矮星系的物体）的大小设置的：暗物质粒子根据其 FSL 分为冷、暖或热；比原星系小得多（冷），类似于（暖）或大得多（热）。
上述的混合也是可能的：混合暗物质理论在 20 世纪 90 年代中期很流行，但在发现暗能量后被拒绝了。


暗物质粒子的探测

如果暗物质是由亚原子粒子组成的，那么每秒必须有数百万甚至数十亿这样的粒子穿过地球的每平方厘米。许多实验旨在检验这一假设。
尽管WIMP一直是主要的搜索候选者， 轴子重新引起了人们的关注，轴子暗物质实验(ADMX) 搜索轴子以及未来计划的更多。另一个候选者是重隐藏扇区粒子，它仅通过重力与普通物质相互作用。
这些实验可分为两类：直接探测实验，寻找探测器内暗物质粒子离开原子核的散射；和间接探测，寻找暗物质粒子湮灭或衰变的产物。


对撞机搜索暗物质

在自然界中检测暗物质粒子的另一种方法是在实验室中产生它们。使用大型强子对撞机(LHC)进行的实验可能能够检测到 LHC质子束碰撞中产生的暗物质粒子。
因为暗物质粒子与正常可见物质的相互作用应该可以忽略不计，所以如果检测到其他（不可忽略的）碰撞产物，它可能会被间接检测为（大量）缺失的能量和动量而逃脱检测器。
LEP实验也存在对暗物质的限制，使用类似的原理，但探测暗物质粒子与电子而不是夸克的相互作用。对撞机搜索的任何发现都必须得到间接或直接探测领域的发现的证实，以证明发现的粒子实际上是暗物质。


替代假设

由于尚未确定暗物质，因此出现了许多其他假设，旨在在不引入新的未知物质类型的情况下解释相同的观测现象。最常见的方法是修改广义相对论。
广义相对论在太阳系尺度上得到了很好的测试，但它在银河系或宇宙尺度上的有效性还没有得到很好的证明。原则上可以想象，对广义相对论进行适当的修改可以消除对暗物质的需求。
此类最著名的理论是MOND及其相对论广义张量-矢量-标量引力(TeVeS)、f(R) 引力、负质量、暗流体、和熵引力替代理论比比皆是。
备选假设的一个问题是暗物质的观测证据来自许多独立的方法（参见上面的“观测证据”部分）。解释任何单独的观察是可能的、
但在没有暗物质的情况下解释所有这些观察是非常困难的。尽管如此，替代假设还是取得了一些分散的成功，例如 2016 年对熵引力中引力透镜效应的测试和 2020 年对独特 MOND 效应的测量。


大多数天体物理学家普遍认为，虽然对广义相对论的修正可以解释部分观测证据，但可能有足够的数据可以得出结论，宇宙中一定存在某种形式的暗物质。
暗物质经常作为一个主题出现在既涵盖事实科学主题又涵盖科幻小说的混合期刊中，暗物质本身被称为“科幻小说的素材”。
在虚构作品中提到了暗物质。在这种情况下，它通常被赋予非凡的物理或魔法性质，从而与物理学和宇宙学中暗物质的假设性质不一致。例如，暗物质在X 档案剧集“柔光” 中充当情节装置，一位评论家发现这种方式依赖于观的无知。
一种被称为“尘埃”的受暗物质启发的物质在Philip Pullman的暗物质三部曲[188]中占有重要地位，而由暗物质构成的生物是Stephen Baxter的Xeelee Sequence中的反派。
更广泛地说，“暗物质”这个词被比喻地用来唤起看不见的或看不见的东西。
参考文献《暗物质物理学》《暗物质及相关宇宙学》