暗物质以网状分布在宇宙中

宇宙中超过 80% 的物质是由科学家从未见过的物质组成的。它被称为暗物质，我们只是假设它存在，因为没有它，恒星、行星和星系的行为根本就没有意义。这是我们所知道的，或者更确切地说，是我们认为我们知道的。

什么是暗物质，为什么它是不可见的？

暗物质是完全看不见的。它不发射光或能量，因此不能被传统的传感器和检测器检测到。科学家们认为，其难以捉摸的本质的关键必须在于它的成分。

可见物质，也称为重子物质，由重子组成——重子是质子、中子和电子等亚原子粒子的总称。科学家们只是推测暗物质是由什么构成的。它可以由重子组成，但也可以是非重子，这意味着由不同类型的粒子组成。

大多数科学家认为暗物质是由非重子物质组成的。主要候选者 WIMPS（弱相互作用的大质量粒子）被认为具有质子质量的十到一百倍，但它们与“正常”物质的弱相互作用使它们难以被发现。中微子是比中微子更重、更慢的巨大假设粒子，是最重要的候选者，尽管它们尚未被发现。

无菌中微子是另一个候选者。中微子是不构成常规物质的粒子。一条来自太阳的中微子河流，但由于它们很少与正常物质相互作用，它们穿过地球及其居民。

已知有三种中微子；第四种，无菌中微子，被提议作为暗物质候选者。无菌中微子只能通过重力与常规物质相互作用。

密歇根州立大学物理学和天文学副教授、南极洲冰立方中微子天文台的合作者泰斯·德扬告诉太空：“一个悬而未决的问题是，进入每个中微子种类的分数是否存在模式。” .com。

较小的中性轴子和不带电的光子——都是理论粒子——也是暗物质的潜在占位符。

还有反物质这种东西，和暗物质不一样。反物质由与可见物质粒子基本相同但电荷相反的粒子组成。这些粒子称为反质子和正电子（或反电子）。当反粒子遇到粒子时，会发生爆炸，导致两种物质相互抵消。因为我们生活在一个由物质构成的宇宙中，很明显周围没有那么多反物质，否则就什么都没有了。与暗物质不同，物理学家实际上可以在他们的实验室中制造反物质。

但如果我们看不到暗物质，我们怎么知道它存在呢？答案是重力，由物质构成的物体所施加的力与其质量成正比。自 1920 年代以来，天文学家就假设宇宙必须包含比我们所能看到的更多的物质，因为似乎在宇宙中发挥作用的引力似乎比仅可见物质所能解释的要强。

“星星的运动告诉你有多少物质，”耶鲁大学研究员彼得·范多库姆在一份声明中说。“他们不在乎问题是什么形式，他们只是告诉你它就在那里。”

天文学家在 1970 年代检查螺旋星系时预计会看到中心的物质比外缘移动得更快。相反，他们发现两个位置的恒星以相同的速度行进，这表明星系包含的质量比可见的要多。

对椭圆星系内气体的研究也表明，需要比可见物体更多的质量。如果星系团所包含的唯一质量是常规天文测量可见的质量，它们就会飞散。

不同的星系似乎包含不同数量的暗物质。2016 年，范多库姆领导的一个团队发现了一个名为蜻蜓 44的星系，它似乎几乎完全由暗物质组成。另一方面，自 2018 年以来，天文学家发现了几个似乎完全没有暗物质的星系。

引力不仅影响星系中恒星的轨道，还影响光的轨迹。著名物理学家阿尔伯特·爱因斯坦在 20 世纪初表明，宇宙中的大质量物体由于其引力而弯曲和扭曲光。这种现象称为引力透镜。通过研究光是如何被星系团扭曲的，天文学家已经能够绘制出宇宙中暗物质的地图。

今天，绝大多数天文学界都承认暗物质的存在。

“一些天文测量证实了暗物质的存在，导致全世界都在努力在极其敏感的探测器中直接观察暗物质粒子与普通物质的相互作用，这将证实它的存在并阐明它的特性，”格兰萨索意大利国家实验室（LNGS）在一份声明中说。“然而，这些相互作用非常微弱，以至于到目前为止它们都逃脱了直接检测，迫使科学家们建造越来越灵敏的探测器。”

尽管所有证据都指向暗物质的存在，但也有可能根本不存在这样的东西，并且描述太阳系内物体运动的万有引力定律需要修改。

暗物质似乎以网络状分布在整个宇宙中，在纤维相交的节点处形成了星系团。通过验证引力在我们太阳系内外的作用相同，研究人员为暗物质和暗能量的存在提供了额外的证据。

暗物质从何而来？

暗物质似乎以网状分布在整个宇宙中，在纤维相交的节点处形成了星系团。通过验证太阳系内外的引力作用相同，研究人员为暗物质的存在提供了额外的证据。（事情甚至更复杂，因为除了暗物质之外，似乎还有暗能量，这是一种无形的力量，负责对抗重力的宇宙膨胀。）

但是暗物质从何而来？显而易见的答案是我们不知道。但是有一些理论。2021 年 12 月发表在《天体物理学杂志》上的一项研究认为，暗物质可能集中在黑洞中，黑洞是通往虚无的强大大门，由于它们的极端引力，它们会吞噬附近的一切。因此，暗物质将与我们今天所看到的宇宙的所有其他构成元素一起 在大爆炸中产生。

白矮星和中子星等恒星残骸也被认为含有大量暗物质，所谓的自有矮星也是如此，这些失败的恒星没有积累足够的物质来启动核聚变.

星系中心的暗物质

科学家如何研究暗物质？

既然我们看不到暗物质，我们真的可以研究它吗？有两种方法可以更多地了解这个神秘的东西。天文学家通过观察宇宙中物质的聚集和物体的运动来研究宇宙中暗物质的分布。另一方面，粒子物理学家正在寻求探测构成暗物质的基本粒子。

安装在国际空间站上的一项名为阿尔法磁谱仪（AMS）的实验可以检测宇宙射线中的反物质。自 2011 年以来，它已被超过 1000 亿条宇宙射线击中，为了解穿越宇宙的粒子组成提供了迷人的见解。

“我们测量了过量的正电子（电子的反物质对应物），这种过量可能来自暗物质，”AMS 首席科学家、麻省理工学院诺贝尔奖获得者 Samuel Ting 告诉 Space.com。“但目前，我们仍然需要更多数据来确保它来自暗物质，而不是来自一些奇怪的天体物理学来源。这将需要我们再运行几年。”

回到地球上，在意大利的一座山下，LNGS 的 XENON1T正在寻找 WIMP 与氙原子碰撞后的相互作用迹象。

哥伦比亚大学教授、项目发言人 Elena Aprile在一份声明中说：“利用 XENON1T 在地球上用超低背景大型探测器探测暗物质的新阶段刚刚开始。 ” “我们很自豪能够凭借这款令人惊叹的探测器走在竞赛的最前沿，这是同类中的第一个。”

位于南达科他州金矿的大型地下氙暗物质实验（LUX）也一直在寻找 WIMP 和氙相互作用的迹象。但到目前为止，该仪器还没有揭示出神秘的物质。

“虽然一个积极的信号会受到欢迎，但大自然并不那么善良！” 伦敦大学学院的物理学家、LUX 的合作者 Cham Ghag 在一份声明中说。“尽管如此，一个无效的结果很重要，因为它通过约束模型来改变该领域的格局，以了解暗物质可能超越以前存在的任何东西。”

IceCube中微子天文台是一个埋在南极冰冻表面下的实验，正在寻找假设的无菌中微子。无菌中微子仅通过重力与常规物质相互作用，使其成为暗物质的有力候选者。

旨在探测难以捉摸的暗物质粒子的实验也在瑞士欧洲核研究组织（CERN）的强大粒子对撞机中进行。

几个绕地球运行的望远镜正在寻找暗物质的影响。欧洲航天局的普朗克航天器于 2013 年退役，在拉格朗日点2（绕太阳轨道上的一个点，航天器相对于地球保持稳定位置）工作了四年，绘制了宇宙微波背景的分布图，宇宙大爆炸的遗物。这种微波背景分布的不规则性揭示了暗物质分布的线索。

2014 年，美国宇航局的费米伽马射线太空望远镜在伽马射线光下绘制了我们银河系中心的地图，揭示了从其核心延伸出的过量伽马射线辐射。

“我们发现的信号无法用目前提出的替代方案来解释，并且与非常简单的暗物质模型的预测非常一致，”主要作者、伊利诺伊州费米实验室的天体物理学家 Dan Hooper 告诉 Space.com。

研究人员说，过量可以通过质量在 31 到 400 亿电子伏特之间的暗物质粒子的湮灭来解释。结果本身不足以被认为是暗物质的确凿证据。需要来自其他观测项目或直接探测实验的额外数据来验证解释。

经过 30 年的发展，于 2021 年 12 月 25 日发射的詹姆斯韦伯太空望远镜预计也将有助于寻找难以捉摸的物质。世纪望远镜的红外眼睛可以看到时间的开始，无法直接看到暗物质，但通过观察宇宙最初阶段以来的星系演化，有望提供见解这在以前是不可能的。