| 词条 | 暗物质 |
| 释义 | § 简介 大质量的星系团阿贝尔2218为科学家提供了暗物质存在的证据。通过星系团周围的弧线——背景星系扭曲的像，天文学家发现其中必定还含有更多看不见的物质。在宇宙学中，暗物质是指那些不发射任何光及电磁辐射的物质。暗物质存在的最早证据来源于对球状星系旋转速度的观测。[1] 现代天文学通过重力透镜、宇宙中大尺度结构的形成、微波背景辐射等研究表明：截止到2011年，我们所认知的部分，即重子（加上电子），大致占宇宙的4％，而暗物质则占了宇宙的23%，还有73%是一种导致宇宙加速膨胀的暗能量。 暗物质的存在可以解决大爆炸理论中的不自洽性，对结构形成也非常关键。暗物质很有可能是一种（或几种）粒子物理标准模型以外的新粒子。对暗物质和暗能量的研究是现代宇宙学和粒子物理的重要课题。[2] § 发现历史 星系自转曲线 最早提出证据并推断暗物质存在的是20世纪30年代荷兰科学家Jan Oort与美国加州理工学院的瑞士天文学家弗里茨·兹威基等人。 弗里茨·兹威基观测螺旋星系旋转速度时，发现星系外侧的旋转速度较牛顿重力预期的快，故推测必有数量庞大的质能拉住星系外侧组成，以使其不致因过大的离心力而脱离星系。 星系与星系团观测 子弹星系团是两个星系团碰撞的产物。其中普通物质——高温气体（粉色，X射线波段）——会碰撞、损失能量、运动速度变慢。星系团中的暗物质（蓝色，引力透镜观测）间相互作用很弱，可以彼此穿过。 2006年，美国天文学家利用钱德拉X射线望远镜对星系团1E 0657-558进行观测，无意间观测到星系碰撞的过程，星系团碰撞威力之猛，使得暗物质与正常物质分开，因此发现了暗物质存在的直接证据。 虽然暗物质在宇宙中大量存在是一个普遍的看法，但是科学家们发现螺旋星系NGC 4736的旋转能完全依靠可见物质的引力来解释，也就是说这个星系没有暗物质或者暗物质很少。 宙微波背景辐射 宇宙微波背景辐射（cosmic microwave background radiation，简称CMB）最初发现于1964年。对于背景辐射的进一步观测也支持这个理论，并给予了更多架构理论模型的条件。这些观测中最著名的当属宇宙背景探测者（COBE）。COBE观测到2.726 K的辐射温度，以及在1992年第一次观测到约十万分之一的温度起伏（各向异性）。 在2000到2001年间，毫米波段气球观天计划借由CMB的各向异性，发现宇宙是接近平坦的空间结构。 在二十世纪90年代，第一峰值的量测上不断提高敏感度。毫米波段气球观天计划提出的报告指出，最大的谱密度波动发生在尺度约为一度角时，这些观测足以排除宇宙弦作为宇宙结构形成的主因，而趋向于接受暴涨理论。[1] § 组成成分 虽然人们已经对暗物质作了许多天文观测，其组成成份至今（2011年）仍未能全然了解。早期暗物质的理论重在一些隐藏起来的一般物质星体，例如：黑洞、中子星、衰老的白矮星、褐矮星等。这些星体一般归类为晕族大质量致密天体 （MAssive Compact Halo Objects，缩写为：MACHOs），然而多年来的天文观测无法找到足够量的MACHOs。 渺中子湮灭产生次级粒子。当两个渺中子发生碰撞就会产生夸克、轻子和玻色子，它们又会通过低能光子、γ射线和衰变过程产生正电子、电子、中微子、反质子和质子。 一般认为，难以探测的重子物质（如MACHOs以及一些气体）确实贡献了部分的暗物质，但证据指出这类的物质只占了其中一小部分。而其余的部分称作“非重子暗物质”。此外，星系转速曲线、重力透镜、宇宙结构形成、重子在星系团中的比例以及星系团丰度（结合独立得到的重子密度证据）等观测数据也指出宇宙中85-90%的质量不参与电磁作用。这类“非重子暗物质”一般猜测是由一种或多种不同于一般物质（电子、质子、中子、中微子等）的基本粒子所构成。 在众多可能是组成暗物质的成分中，最热门的要属一种被称为大质量弱相互作用粒子（英文叫做Weakly Interacting Massive Particle，简称WIMP）的新粒子。这种粒子与普通物质的作用非常微弱，以致于他们虽然存在于我们周围，却从来没有被探测到过。 还有一种被理论物理学家提出来解决强相互作用中CP问题，被称为轴子的新粒子，也很有可能是暗物质的成分之一。惰性中微子（sterile neutrino）也有可能是组成暗物质的一种成分。[3] § 理论模型 历史上，人们将可能的暗物质分为三个大类：冷暗物质、温暗物质、热暗物质。 这个分类并非依照粒子的真实温度，而是依照其运动的速率。 冷暗物质：在古典速度下运动的物质。 温暗物质：粒子运动速度足以产生相对论效应。 热暗物质：粒子速度接近光速。 虽然可以有第四个称为复合暗物质（mixed dark matter）的分类，但是这个理论在20世纪90年代由于暗能量的发现而被舍弃。 § 探测实验 暗物质的探测在当代粒子物理及天体物理领域是一个很热门的研究领域。对于大质量弱相互作用粒子来说，物理学家可能通过放置在地下实验室，背景噪声减少到极低的探测器直接探测WIMP，也可以通过地面或太空望远镜对这种粒子在星系中心，太阳中心或者地球中心湮灭产生的其他粒子来间接探测。 直接探测实验 间接探测WIMP。WIMP偶尔会撞上一个原子核。这一碰撞会散射原子核，进而使之和周围的原子核发生碰撞。由此科学家可以探测到这些相互作用所释放出的热量和闪光。 对于暗物质的直接探测实验一般都这设置于地底深处，以排除宇宙射线的背景噪声。这类的实验室包括美国的Soudan mine和DUSE、加拿大的SNOLAB地下实验室、意大利的大萨索国家实验室（Gran Sasso National Laboratory）以及英国的Boulby mine。 2011年，大部分的实验使用低温探测器或惰性液体探测器。低温探测器是在低于100mK的环境下探射粒子撞击锗这类的晶体接收器所产生的热。惰性液体探测器则是探测液态氙或液态氩中粒子碰撞产生的闪烁。低温探测实验包括了CDMS、CRESST、EDEDWEISS及EURECA。惰性液体探测实验包含了ZEPLIN、XENON、DEAP、ArDM、WARP和LUX。这两种探测技术都能够从其他粒子与电子对撞的噪声中辨识出暗物质与核子的碰撞。其他种类的探测器实验有SIMPLE和PICASSO。 方向性的暗物质探测方式是运用太阳系绕行银河系的运动。利用低压TPC，我们可以得知反弹路径的资讯，并借此去了解WIMP与原子核的作用。从太阳行进方向入射的WIMP讯号可以从各向同性的背景噪声中分离出来。这类的探测实验包括有DMTPC、DRIFT、Newage和MIMAC。 2009年12月17日，CDMS的研究团队发表了两个可能的WIMP事件。他们估计这两起事件来自已知背景讯号（中子、错认的β射线或是伽马射线）的可能性是23%，并作出了这样的结论：“这个分析结果无法被视作WIMP的有力证据，但我们不能排除这两起事件来自WIMP的可能性。”[4] 2011年5月，CoGeNT实验公布先前15个月的探测结果，显示粒子的碰撞率呈现周期性变化，夏天较高而冬天比较低，这可以看作是暗物质存在的证据之一。这个结果支持已经进行了13年的意大利的DAMA/LIBRA暗物质探测实验。CoGeNT的实验结果显示，探测到的WIMP的质量是中子质量的5到10倍，这与某些其他的实验结果不符，但是其他实验对低能暗物质的探测精度没有CoGeNT高。[5] 间接探测实验 暗物质的间接探测主要是观测其两两湮灭时所产生的讯号。 由于其湮灭所产生的粒子与其暗物质的模型有关，有许多种类的实验被提出。 假使暗物质是马约拉那粒子，则两个暗物质对撞会烟灭产生伽马射线或正负粒子对。如此可能会在星系晕生成大量伽马射线、反质子和正电子。然而在完全了解其他来源的背景噪声以前，这类的探测不足以当作暗物质的决定性证据。[1] EGRET伽马射线望远镜过去观测到了超出预期量的伽马射线，但科学家认为这多半是来自系统中的效应。自2008年6月11日开始启动的费米伽马射线太空望远镜则正在搜寻暗物质湮灭产生伽马射线的事件。在较高能量区间，地上的MAGIC伽马射线望远镜已经对矮椭球星系以及星系团中的暗物质给予了某些限制。[6][5] § 观测手段 1、引力透镜法 2、旋涡星系的旋转曲线 3、星系中的恒星或星系团中的星系的速度弥散 4、星系团（及椭圆星系）的X射线气体的流体静力学平衡方法 5、星系团的苏尼亚耶夫-泽尔多维奇效应 § 其他 美国科学家称地月之间隐藏存在大量暗物质 2012年2月底，美国科学家称，他们通过一种最新的理论研究发现，地球和月球之间其实隐藏着大量神秘的暗物质。美国普林斯顿高等研究院理论家斯蒂芬·阿德勒博士估计，地球周边的暗物质应该位于月球的公转轨道与低空卫星的轨道之间，其总质量肯定不超过地球质量的十亿分之四。这一质量限度使得地球周围可以存在高密度的暗物质。他认为，这一观点虽然仍存在争议，但却是对此前关于宇宙存在暗物质证据的有力补充。阿德勒解释，地球周边暗物质应该集中于地球周围半径大约为7万公里的空间内，其密度远远高于此前天文学家们所估算的密度。[7] 地球上每人每年会与暗物质碰撞10万次 2012年4月，密歇根州立大学的Katherine Freese与瑞典斯德哥尔摩大学的Christopher Savage 计算出了暗物质和人体组织发生相互作用的几率。Freese和Savage计算了在平均尺寸的人体中，有多少原子核与穿过的暗物质粒子发生了碰撞。这里的平均尺寸，他们是指一块主要由氢、氧、碳、氮等元素构成的70公斤的肉块。他们说暗物质与人体中氢原子核和氧原子核发生碰撞的可能性很大。关于暗物质的一般假设认为，碰撞一般每年发生大约30次，得到的计算结果是，地球上每个人每年要承受100000次的暗物质粒子碰撞。[8] 研究称暗物质粒子每分钟撞击人体或引发突变 2012年5月初，根据几项暗物质探测项目获得的数据进行计算的结果显示，平均大约1分钟就会有一颗暗物质粒子击中人体。由于它们和常规物质发生相互作用的几率非常低，这当然也就意味着WIMP的撞击将不会给人体带来什么大的风险。然而当两颗WIMP粒子相互撞击时会发生湮灭反应，在这一过程中所释放出的能量就会大的多。美国密歇根大学下属密歇根理论物理研究中心教授凯瑟琳·弗莱瑟(Katherine Frees)认为：这两颗粒子的质量都相当于质子质量的100倍，当两者相撞时，它们将拥有200倍质子质量的能量释放。这将是非常剧烈的。如果这种WIMP粒子湮灭反应发生在人体内，它将可能导致对人体有害的突变。当然，发生这种事件的概率非常低。[9] |
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