暗物质是理论上提出的可能存在于宇宙中的一种不可见的物质，关于它，有着许多未解之谜，今天就跟随我们一起浅谈暗物质吧～
什么是暗物质
暗物质是为了解释观测与理论不匹配而提出的一个理论假设。在大量的天文学观测中，看上去与现有引力理论相悖的现象中，绝大部分可以通过假设暗物质的存在得以合理地解释。目前的天文学观测和地面物理实验表明：暗物质的基本性质是只参与宇宙中的引力相互作用，而不参与（或极其有限地参与）除引力作用之外的任何其他相互作用。
简单来说，暗物质是一种我们可以通过引力感受到，但是几乎无法用电磁波直接探测到的物质。现代天文学通过天体动力学、引力透镜效应、微波背景辐射等观测结果证明暗物质大量的存在于星系、星团及宇宙的大尺度结构中，其总质量远大于宇宙中全部可见天体的总质质量，目前的数据表明：宇宙中暗物质大约占全部物质总质量的85%，占宇宙总质能的26%。
图1: 宇宙学家们用超级计算机模拟的宇宙中暗物质分布图景，其中亮度表征着当地的暗物质密度，亮点为高密度区，星系和星系团将在这些高密度区中形成。图片来源：https://phys.org/news/2019-09-artificial-intelligence-probes-dark-universe.html
最早提出暗物质可能存在的是天文学家雅克布斯·卡普坦（Jacobus Kapteyn），他于1922年提出可以通过研究天体系统的动力学性质，间接推断出星体周围可能存在的不可见物质。
1933年，天体物理学家福瑞兹·兹威基（Fritz Zwicky）利用光谱红移测量了科玛星系团（Coma Cluster）中各个星系相对于星系团的运动速度，结合维里定理（Viral Theory），兹威基发现星系团中星系的速度弥散度远远高于理论预言，仅靠星系团中可见星系的质量产生的引力是无法将其束缚在星系团内的，因此星系团中应该存在大量的不可见物质，即暗物质，其质量至少是可见星系的百倍以上。辛克莱尔·史密斯（Sinclair Smith）在1936年对室女星系团（Virgo Cluster）的观测也支持这一结论。 不过这一突破性的结论在当时未能引起学术界的重视。[1]
图2：仙女星系（Andromeda Galaxy）中恒星的旋转速度随距离的变化曲线。红色的曲线为无暗物质假设的理论预言，白色曲线为观测得到的曲线。两条曲线在远离星系中心时的不同被认为是暗物质存在的关键证据之一。图片来源：https://phys.org/news/2011-12-dark.html
暗物质的观测证据
随着天文观测技术的进步，越来越多暗物质存在的观测证据被天文学家发现。例如，1970年维拉·鲁宾（Vera Rubin）和肯特·福特（Kent Ford）利用高精度的光谱测量技术研究了仙女星系（Andromeda Galaxy）的恒星旋转速度和距离的关系[2]，探测到的远离星系核区域的外围星体绕星系旋转速度和距离的关系表明：在相当大的范围内，星系外围的恒星旋转速度是恒定的，这与目前的引力理论根据可见物质所预言的星系旋转曲线无法匹配，这意味着星系中可能有大量的不可见物质，并且不仅仅分布在星系核心区 。
另一个著名的暗物质存在证据是子弹头星系团的观测。2004年，马克西姆·马科维奇（Maxim Markevich）[3] 和道格拉斯·克劳（Douglas Clowe）[4] 发现合并星系团的x射线中心和引力中心存在着明显的偏移，前者反映着星系团中的主要常规可见物质的并合行为，而后者则反映着星系团中全部物质的并合行为，两者的偏差表明星系团中有大量非常规可见物质的存在。
图3：合并星系团中的热气体分布和总质量分布对比图。中间的红蓝色代表着热气体的分布，高亮度表征高密度区域；绿色等高线描述合并星系团的总质量分布。合并星系团中热气体中心和引力中心不重合是暗物质存在的另一个关键证据。图片来源：https://astrobites.org/2016/11/04/the-bullet-cluster-a-smoking-gun-for-dark-matter/
暗物质与人类
了解完暗物质的基本概念和历史后，你最可能要问：我知道，暗物质很酷，暗物质是宇宙中最多的物质，可是它和我的生活有什么关系呢？这是个非常好的问题，乍一看，暗物质也许和人们的日常生活没什么关系，但实际上，暗物质极有可能关系到人类最关心的两个问题：人类的起源和人类的结局。
◎暗物质与人类的起源
暗物质决定了宇宙中星系的起源、形成与演化，也就是说，今天银河系的诞生、成长过程都受到暗物质的影响。天体物理学家们已经用数值模拟的方法研究了在没有暗物质存在的宇宙中[5]，自引力系统的形成将非常困难，这种情况下，也许银河系尺度的星系会非常难以形成，这就极大地降低了宜居星系的数目，从而使类太阳系系统的形成概率大大降低，进而宜居带的类地行星也许就没有机会形成了，就更不要说人类了。可以说因为暗物质的存在才会有今天的我们出现。
图4：宇宙中存在（左）和几乎没有暗物质（右）时，计算宇宙学家们预言的宇宙中的质量分布，亮点代表高密度区域，即星系和星系团形成的区域。图片来源：https://www.ted.com/talks/risa_wechsler_the_search_for_dark_matter_and_what_we_ve_found_so_far?language=en
◎暗物质与人类的结局
暗物质可能导致人类灭绝的论调听起来也许有些危言耸听，但是著名物理学家丽莎·兰德尔（Lisa Randall）在《暗物质与恐龙》[6]一书中详细地探讨了暗物质导致恐龙灭绝的可能性和基本原理：太阳系绕银河系中心运动时还会穿过银河系中的暗物质盘结构，这一过程产生的引力扰动会提高太阳系外围奥尔特星云中彗星的触发概率，从而在太阳系中产生更多的危险天体，因此大大地增加了危险星体撞击地球的概率。此过程会导致地球上因危险天体撞击而产生周期性的物种灭绝，恐龙的灭绝便是其中的一次。如果将来银河系中的暗物质导致彗星和地球相撞，一次不亚于恐龙灭绝的生态灾难也许真的会是我们的结局。
兰德尔博士的理论是个有趣且大胆的尝试，尤其是关于『暗物质可以在银河系中形成盘状结构』的假设也是不同于主流暗物质模型的一次创新，不过科学家们依然需要用更优质的观测数据和更严谨的科学方法来证实或者证伪这个假设。暗物质到底是不是恐龙乃至人类灭绝的罪魁祸首？希望未来科学家们会告诉我们答案。
总结
暗物质是当今物理学的最重要最热点的问题之一，随着新的科学数据的到来，对它的研究将更加深入。从星系到整个宇宙学尺度，我们都有证据证明暗物质的存在，但是我们是否能找到它并且弄清楚它的本质？这将是接下来几十年里科学家们最主要的科学目标之一。希望这篇文章能让读者们简单地了解暗物质的概念和历史，以及暗物质与我们的联系，让我们一起为因研究暗物质而可能开启的物理学新时代做好准备。
参考文献
[1]History of dark matter, Bertone, Gianfranco; Hooper, Dan, 2018, Reviews of Modern Physics, Volume 90, Issue 4, id.045002
[2]Rotation of the Andromeda Nebula from a Spectroscopic Survey of Emission Regions, Rubin, Vera C.; Ford, W. Kent, Jr. , 1970, Astrophysical Journal, vol. 159, p.379
[3]Direct Constraints on the Dark Matter Self-Interaction Cross Section from the Merging Galaxy Cluster 1E 0657-56, Markevitch M. et. al., 2004, The Astrophysical Journal, Volume 606, Issue 2, pp. 819-824.
[4]A Direct Empirical Proof of the Existence of Dark Matter, Clowe D. et. al., 2006, The Astrophysical Journal, Volume 648, Issue 2, pp. L109-L113.
[5]The search for dark matter — and what we've found so far, Risa Wechsler, 2019, TED@NAS
[6]暗物质与恐龙--宇宙中的万物互联, 作者: [美] 丽莎·兰道尔, 译者：苟利军 / 李楠 / 尔欣中，2016, 浙江人民出版社
作者简介：李楠，国家天文台副研究员。研究方向为引力透镜、宇宙学、以及机器学习在天体物理中的应用。
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