暗物質

什麽是暗物質?暗物質被認為是宇宙研究中最具挑戰性的課題，它代表了宇宙中90％以上的物質含量，但是人們可以看到的物質隻占宇宙總物質量的10％不到(約5％左右)。暗物質無法直接觀測得到，但它卻可以幹擾星體發出的光波或引力，其存在能被明顯地感受到。科學家曾對暗物質的特性提出了許多假設，但直到目前還沒有得到充分的證明。

暗物質的總質量是普通物質的6．3倍，在宇宙能量密度中占了四分之一，更重要的是，暗物質主導了宇宙結構的形成。暗物質的本質現在還是個謎，如果假設它是一種弱相互作用亞原子粒子，那麽由此形成的宇宙大尺度結構與觀測相一致。

不過，對星係以及亞星係結構的分析顯示，這一假設和觀測結果之間存在著差異，這同時為多種可能的暗物質理論提供了用武之地。通過對小尺度結構密度、分布、演化還有其環境的研究能夠區分這些潛在的暗物質模型，為暗物質本性的研究帶來新的曙光。

60多年前，第一次發現了暗物質存在的證據。當時，弗裏茲發現，大型星係團中的星係具有極高的運動速度，除非星係團的質量是按照其中恒星數量計算所得到的值的100倍以上，不然星係團根本無法束縛住這些星係。之後的觀測分析證實了這一點。盡管對暗物質的性質依舊一無所知，但是到了20世紀80年代，占宇宙能量密度大約20％的暗物質已被廣為接受了。

引入宇宙膨脹理論之後，許多科學家相信宇宙是平直的，而且宇宙總能量密度是等於臨界值的。同時，宇宙學家們也傾向於一個簡單的宇宙，其中能量密度都以物質的形式出現，包括4％的普通物質和96％的暗物質。然而事實上，觀測從來就沒有與此相符過。雖然在總物質密度的估計上存在著相當大的誤差，但是這一誤差還沒有大到使物質的總量達到臨界值，這一觀測和理論模型之間的不一致也隨著時問變得越來越尖銳。

當意識到沒有足夠的物質可以解釋宇宙的結構及其特性時，暗能量出現了。暗能量和暗物質的共同點是既不發光也不吸收光。從微觀上講，它們的組成是完全不同的。像普通的物質一樣，暗物質是引力自吸引的，且與普通物質成團並形成星係。而暗能量是引力自相斥的，在宇宙中幾乎均勻的分布。因此，在統計星係的能量時會遺漏暗能量。暗能量可以解釋觀測到的物質密度和由暴漲理論預言的臨界密度之間70％～80％的差異。

之後，兩個獨立的天文學家小組通過對超新星的觀測發現，宇宙正在加速膨脹。於是，暗能量占主導的宇宙模型成為了一個和諧的宇宙模型。威爾金森宇宙微波背景輻射各向異性探測器的觀測也獨立的證實了暗能量的存在，並使它成為了標準模型的一部分。

暗能量也改變了我們對暗物質在宇宙中所起作用的認識。按照愛因斯坦的廣義相對論，在一個僅含有物質的宇宙中，物質密度決定了宇宙的幾何，宇宙的過去和未來。加上暗能量，情況就完全不同了。首先，總能量密度(物質能量密度與暗能量密度之和)決定著宇宙的幾何特性。其次，宇宙已經從物質占主導的時期過渡到了暗能量占主導的時期。在“大爆炸”之後的幾十億年中暗物質占了總能量密度的主導地位，然而這已成為了過去。現在我們宇宙的未來將由暗能量的特性所決定，它現在正使宇宙加速膨脹，而且除非暗能量會隨時間衰減或者改變狀態，不然這種加速膨脹態勢將持續下去。

不過，我們忽略了非常重要的一點，那就是暗物質促成了宇宙結構的形成，如果沒有暗物質就不會形成星係、恒星和行星，也就更談不上今天的人類了。宇宙雖然在極大的尺度上表現出均勻和各向同性，然而在小一些的尺度上則存在著恒星、星係、星係團、巨洞以及星係長城。而在大尺度上能促使物質運動的力就隻有引力了。但是均勻分布的物質無法產生引力，所以今天所有的宇宙結構必然源自於宇宙極早期物質分布的微小漲落，而這些漲落會在宇宙微波背景輻射中留下痕跡。

但是普通物質不可能通過其自身的漲落形成實質上的結構而又不在宇宙微波背景輻射中留下痕跡，因為那時普通物質還未從輻射中脫耦出來。

另外，不與輻射耦合的暗物質，其微小的漲落在普通物質脫耦之前就放大了很多倍。在普通物質脫耦之後，已經成團的暗物質就開始吸引普通物質，進而形成了現在觀測到的結構。因此這需要一個初始的漲落，但是它的振幅非常小。這裏需要的物質就是冷暗物質，由於它是無熱運動的非相對論性粒子故而得名。

如果我們不了解暗物質的性質，就不能說我們已經了解了宇宙。現在已經知道了兩種暗物質——中微子和黑洞。但是它們對暗物質總量的貢獻是極其微小的，暗物質中的絕大部分現在還不清楚。