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暗物質是現代天體物理學最大的奧秘之一，它最近在新聞中經常出現。本文將會為您解釋它是什么以及它為何如此難以找到。 如果我告訴你，你和我熟悉的物質形式——這些物質構成了我們，我們的家園，我們的寵物，我們的地球——但這些物質卻只占宇宙重量不到5％，你會感覺怎么樣？事實上，另一種神秘的物質形式占主導地位，盡管幾十年來科學家們一直在尋找它，但不僅天體物理學家從未發現它，我們甚至都不知道它到底是什么。  你相信我嗎？ 暗物質是現代天體物理學中最神秘的事物之一，但你不必一定要接受我說的。這個難以捉摸的神秘事件不僅是一個引人入勝的話題，而且對暗物質的探索也是科學家如何應對尚未解決問題的一個很好的例子。我們生活在暗物質研究的最佳時期，這些研究似乎能夠起到直接指引的作用 在這一集中，我們將探討我們如何知道暗物質的存在以及為什么最近它頻繁成為焦點。  暗物質的定義 天體物理學家知道暗物質必須無處不在，但我們還不知道它的成分。它不與我們能夠理解的和會發出輻射的“正常”物質相互作用，因此望遠鏡無法觀察到它。 因此我們稱之為“黑暗”。 我們已經確定宇宙為26.8％的暗物質，4.9％的正常物質（組成了你和我的物質），68.3％的物質稱為暗能量。這種分解是基于從威爾金森微波各向異性探測器和最近的普朗克望遠鏡在整個天空收集的數據。  我們是如何知道暗物質的存在呢？ 盡管我們不確定是什么構成暗物質，但我們仍然非常確定它的存在。 怎么會這樣？ 其實即使我們不能直接檢測到暗物質，但也有很多關于它存在的間接證據。 首先，讓我們思考一下擁有間接證據意味著什么。如果你去我家看看，即使你沒有看到她，你也會懷疑一個小孩住在那里。因為你會看到地板上亂扔的玩具和柜臺上的吸管杯。當然，這個證據是間接的——也許我喜歡用塑料錘敲打并在出門時喝酒呢？  然而，如果不用蹣跚學步就無法解釋的證據可能是整個窗戶和電視上的小孩手指的污跡。如果沒有確切的看到一個孩子，你仍然沒有直接證據證明她的存在，但這些指紋很難以其他任何方式產生。 在20世紀70年代，天文學家維拉魯賓是第一個進行測量的人，這些測量提供了暗物質存在的間接證據，同時她將測量的數據與暗物質聯系起來作為它存在的原因。她觀察跟蹤了螺旋星系內恒星運行的速度。  正如我們在前一集中所討論的那樣，軌道上的物體正在以恰當的速度移動。例如，如果月球在它圍繞地球的軌道上以某種方式減速，則地球的引力會導致月球向內傾斜。如果月亮反而要加速，那么與它運動相關的力將會超過地球的引力，使月球會飛向太空。 相同的力量平衡決定了地球的軌道以及太陽的軌道和銀河系中心的其他恒星的軌道。恒星用來保持它能呆在軌道運轉的速度取決于重力的強度，這種力量將其拉向其星系的中心，從而決定了該星系的巨大程度。 維拉魯賓追蹤了恒星在螺旋星系邊緣的運動，并確定每個星系中必須有多少物質才能讓這些恒星在它們的軌道上運行。然后，她將在每個星系中的所有已知的“正常”物質（氣體，塵埃和恒星）加起來，發現還遠遠達不到要求。 因此必須存在一種神秘物質，這種物質不能通過任何類型的發射來檢測到，如星光，但可以通過其引力影響間接被觀察到。  為什么暗物質總是成為頭條？ 自20世紀70年代以來，天文學家已發現很多能夠證明暗物質存在的其他形式的間接證據，包括非螺旋星系中恒星的速度，星系團中的星系運動，以及大爆炸余輝的觀測，他們稱為宇宙微波背景輻射。 但是當談到維拉魯賓研究的螺旋星系（像銀河系這樣的星系）時，天文學家一直在爭論暗物質是集中在銀河系的邊緣還是愛核心。由于我們無法對自己的星系采取俯視的角度觀察，因此確定是由何種物質組成銀河系是非常困難的，就像試圖站在一大群人中去判斷這群人的人數一樣。 最近天文學家法比奧·艾科及其合作者發表在《自然》雜志上的一項新研究詳細記錄了銀河系內部恒星的運動。 他們發現銀河系的內部聚集了大量的暗物質。太陽在以銀河系為中心的圓形軌道上旋轉，稱為太陽圈，這里位于銀河系中心和星系邊緣的中間。艾科發現暗物質甚至還出現在太陽圈里。  修正引力的替代理論 成為一名科學家的重要一點就是盡可能地將自己的觀點與研究分開，并始終盡可能的多角度去看待問題。在對待暗物質這個問題上，科學家們想知道不得不發明一種全新類型的物質是否可能過于極端，取而代之的應該是是采取不同的方法。 下面就是他們提出的建議：如果引力定律在沒有暗物質的情況下不起作用，也許只是我們不像我們以為的那樣理解引力定律。 其中一個理論是改進的牛頓動力學（或MOND）在20世紀80年代發表在《我的Milgrom》上。MOND的支持者認為，如果我們用小的加速度修改牛頓定律，即像星系邊緣的恒星運行軌道一樣小的運動變化，我們或許可以解開這個謎團。這些微小的變化對預測整個星系的質量沒什么作用，但將變化與觀測物的數量相匹配，就不再需要其他未知形式的物質。MOND理論的預測實際上很好地再現了某些星系中恒星的運動。  子彈群 不幸的是，對于MOND來說，發現子彈群后，有了一個非常明顯的支持暗物質的證據。 事實上，這一證據非常清楚，以至于一些天文學家認為它是直接證明了暗物質的存在，而不是間接的進行了證明。 子彈群是兩個擁有成千上萬個星系的星系團剛剛發生碰撞的后果。在這些星系中，恒星之間有很大的空間，因此在整個碰撞過程中，它們可以做到相對來說毫發無損地穿過彼此。然而，彌漫在這些密集星系團的熱X射線氣體將會在被擠出星系前被粉碎掉。  該星團將進一步充當所謂的引力透鏡，用于觀察在它后面更遠的星系。子彈星團周圍的空間由于其重力影響而變形，這會導致更遠的星系的光線在子彈星團周圍彎曲，并被我們的望遠鏡探測到。光線彎曲的程度和位置與子彈群的質量和位置有關。 即使子彈星團中的X射線氣體比恒星的質量大得多，這種透鏡也會發現聚集在一起的大部分物質是與星光相伴隨的。因此，除了引力之外，這里還存在著天文學家一定不會觀察到的某種形式的物質。 參考資料 1.WJ百科全書 2.天文學名詞 3. quickanddirtytips- Y張 如有相關內容侵權，請于三十日以內聯系作者刪除 轉載還請取得授權，并注意保持完整性和注明出處
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