暗物质2

物质分布

暗物质模拟图天文学的观测表明，宇宙中有大量的暗物质，特别是存在大量的非重子物质的暗物质。据天文学观测估计，宇宙的总质量中，重子物质约占2%，也就是说，宇宙中可观测到的各种星际物质、星体、恒星、星团、星云、类星体、星系等的总和只占宇宙总质量的2%，98%的物质还没有被直接观测到。在宇宙中非重子物质的暗物质当中，冷暗物质约占70%，热暗物质约占30%。

宇宙中的某些地方没有任何暗物质和可见物质，而它们在另外一些地方却异常密集：暗物质聚集在一起，星系则挂靠在暗物质上，就像挂在钩子上的画。

美国明尼苏达大学科学家安吉拉-雷塞特尔是“低温暗物质搜寻计划”项目组成员之一。雷塞特尔表示，“就在我们的周围，存在一种暗物质流。每时每刻都存在一种交互。”她是在美国物理学会一次会议上发表这一理论的。在最新一期《科学快讯》杂志上，雷塞特尔和同事们发表论文声称，他们发现了两起事件，这些事件可能就是由暗物质撞击探测器所引起的。雷塞特尔表示，“我们此前的探测结果从来没有如此发现，这是首次。”

“低温暗物质搜寻计划”位于明尼苏达州地下大约700米的一个矿井中。因此，矿井可以阻止其他任何物质抵达实验设备，除了暗物质。这样宇宙射线和其他粒子可能会与暗物质粒子混淆的可能性已基本被排除。探测器本身也主要是由锗元素或硅元素组成的曲棍球形状的小块。如果锗或硅原子的原子核被暗物质粒子击中，它就会反弹并向探测器发送一个信号。

科学家发现，宇宙中的暗物质与一些小型的临近星系密切相关。这些星系只有数颗恒星，但它们的质量却是这些恒星单独质量的一百倍。这种隐藏的物质就被科学家称作暗物质。

然而，研究人员也无法完全确定他们所探测到的两个信号究竟是由暗物质粒子还是由其他粒子引起的。这两个信号太少，因此科学家们也无法确定。据科学家介绍，他们的计算曾经预测到背景可能会引起一次假事件。“低温暗物质搜寻计划”将继续进行他们的实验以期发现更多实质性的信号。

地球上另一项探寻暗物质的尝试聚焦于强大的粒子加速器，这类加速器可以将亚原子粒子加速到接近光速，然后让它们相互碰撞。科学家们希望通过这种难以置信的高速碰撞从而产生奇异粒子，其中包括暗物质粒子。

然而，即使采用最强大的粒子加速器，至今也未能发现暗物质的任何迹象。美国马里兰大学科学家萨拉-恩诺表示，“你也许会问为什么会这样，为什么组成宇宙大部分的物质粒子为什么在我们的加速器中从来没有发现过。”原因之一可能就是他们的加速器还没达到足够强大。

科学家们也无法确定暗物质粒子究竟有多大，有多重，以及究竟需要多大的能量才能够在实验室中发现它们。或许在任何加速器中都无法找到暗物质粒子。恩诺表示，“我们或许不知道这样一个事实，那就是暗物质粒子是我们无法制造或探测到的粒子。”

最大的希望就寄托于新型的粒子加速器大型强子对撞机身。恩诺表示，“大型强子对撞机或许会最终让我们获得足够的能量以产生暗物质粒子，并在撞击中发出它们。”恩诺也是大型强子对撞机紧凑型μ子螺旋型磁谱仪实验项目组成员之一。

然而在小一些的尺度上，从1Mpc到星系的尺度（Kpc），就出现了不一致。几年前这种不一致性就显现出来了，而且它的出现直接导致了“现行的理论是否正确”这一至关重要的问题的提出。在很大程度上，理论工作者相信，不一致性更可能是由于我们对暗物质特性假设不当所造成的，而不太可能是标准模型本身固有的问题。首先，对于大尺度结构，引力是占主导的，因此所有的计算都是基于牛顿和爱因斯坦的引力定律进行的。在小一些的尺度上，高温高密物质的流体力学作用就必须被包括进去了。其次，在大尺度上的涨落是微小的，而且我们有精确的方法可以对此进行量化和计算。但是在星系的尺度上，普通物质和辐射间的相互作用却极为复杂。在小尺度上的以下几个主要问题。亚结构可能并没有CCDM数值模拟预言的那样普遍。暗物质晕的数量基本上和它的质量成反比，因此应该能观测到许多的矮星系以及由小暗物质晕造成的引力透镜效应，但是观测结果并没有证实这一点。而且那些环绕银河系或者其他星系的暗物质，当它们合并入星系之后会使原先较薄的星系盘变得比观测到得更厚。

暗物质晕的密度分布应该在核区出现陡增，也就是说随着到中心距离的减小，其密度应该急剧升高，但是这与我们观测到的许多自引力系统的中心区域明显不符。正如在引力透镜研究中观测到的，星系团的核心密度就要低于由大质量暗物质晕模型计算出来的结果。普通旋涡星系其核心区域的暗物质比预期的就更少了，同样的情况也出现在一些低表面亮度星系中。矮星系，例如银河系的伴星系玉夫星系和天龙星系，则具有与理论形成鲜明对比的均匀密度中心。流体动力学模拟出来的星系盘其尺度和角动量都小于观测到的结果。在许多高表面亮度星系中都呈现出旋转的棒状结构，如果这一结构是稳定的，就要求其核心的密度要小于预期的值。

可以想象，解决这些日益增多的问题将取决于一些复杂的但却是普通的天体物理过程。一些常规的解释已经被提出来用以解释先前提到的结构缺失现象。但是，总体上看，观测证据显示，从巨型的星系团（质量大于1015个太阳质量）到最小的矮星系（质量小于109个太阳质量）都存在着理论预言的高密度和观测到的低密度之间的矛盾。

主要成分

成分测量

暗物质长久以来，最被看好的暗物质仅仅是假说中的基本暗性粒子，它具有寿命长、温度低、无碰撞的特殊特性。温度低意味着在脱耦时它们是非相对论性粒子，只有这样它们才能在引力作用下迅速成团。寿命长意味着它的寿命必须与现今宇宙年龄相当，甚至更长。

由于成团过程发生在比哈勃视界（宇宙年龄与光速的乘积）小的范围内，而且这一视界相对宇宙而言非常的小，因此最先形成的暗物质团块或者暗物质晕比银河系的尺度要小得多，质量也要小得多。随着宇宙的膨胀和哈勃视界的增大，这些最先形成的小暗物质晕会合并形成较大尺度的结构，而这些较大尺度的结构之后又会合并形成更大尺度的结构。其结果就是形成不同体积和质量的结构体系，定性上这是与观测相一致的。

相反的，对于相对论性粒子，例如中微子，在物质引力成团的时期由于其运动速度过快而无法形成我们观测到的结构。因此中微子对暗物质质量密度的贡献是可以忽略的。在太阳中微子实验中对中微子质量的测量结果也支持了这一点。无碰撞指的是暗物质粒子（与暗物质和普通物质）的相互作用截面在暗物质晕中小的可以忽略不计。这些粒子仅仅依靠引力来束缚住对方，并且在暗物质晕中以一个较宽的轨道偏心律谱无阻碍的作轨道运动。

研究人员使用美国宇航局费米伽马射线太空望远镜对伽玛射线“光束”进行探测，试图确定暗物质是否会产生神秘的“光束”。当前的暗物质理论认为暗物质可能是一类被称为大质量弱相互作用粒子（WIMP），暗物质粒子质量可能比普通的粒子更大，而且不参与电磁力作用，运动的速度较为缓慢。大质量弱相互作用的粒子被认为拥有自身的“反粒子”，如果两个WIMP粒子碰撞，就是发生湮灭，并发出伽玛光子，这就解释了银河系中央暗物质集聚区为何发现神秘的伽玛射线“光束”，美国宇航局的费米空望远镜已经观测到了这个现象。

研究观点

英国天文学家里斯认为可能有三种候选者：第一种就是上面所述的小质量恒星或大行星；第二种是很早以前由超大质量恒星坍缩而成的200万倍太阳质量左右的大质量黑洞；第三种是奇异粒子，如质量可能为20～49电子伏且与电子有联系的中微子，质量为105电子伏的轴子或科学家所赞成的各种大统一理论所允许和需求的粒子。

欧洲核子研究中心的粒子物理学家伊里斯认为，星系晕及星系团中最佳的暗物质候选者是超对称理论所要求的S粒子。这种理论认为：每个已知粒子的基本粒子（如光子）必定存在着与其配对的粒子（如具有一定质量的光微子）。伊里斯推荐四种最佳暗物质候选者：光微子、希格斯微子、中微子和引力粒子。科学家还认为，这些粒子也是星系团之间广大宇宙空间中的冷的暗物质候选者。跟普通物质一样，暗物质具有引力作用，几十亿颗恒星正是在它们的帮助下聚集到星系里。但是这种物质很难与普通物质发生互动，人们看不到它。

常见粒子

中微子是唯一一种曾在实验室里发现的暗物质粒子，但是它们几乎是零质量，而且在暗物质的宇宙能量部分里仅占很小比例。天体物理学家认为，剩下的很大一部分是由弱相互作用大质量粒子(WIMP)构成，这种粒子的能量大约比质子多10到1000倍。如果两个暗物质粒子撞在一起，它们就会彼此摧毁对方，产生伽马射线。

一些星体演化到一定阶段，温度降得很低，已经不能再输出任何可以观测的电磁信号，不可能被直接观测到，这样的星体就会表现为暗物质。这类暗物质可以称为重子物质的暗物质。

还有另一类暗物质，它的构成的成分是一些带中性的有静止质量的稳定粒子。这类粒子组成的星体或星际物质，不会放出或吸收电磁信号。这类暗物质可以称为非重子物质的暗物质。

低温无碰撞暗物质

低温无碰撞暗物质（CCDM）被看好有几方面的原因。第一，CCDM的结构形成数值模拟结果与观测相一致。第二，作为一个特殊的亚类，弱相互作用大质量粒子（WIMP）可以很好的解释其在宇宙中的丰度。如果粒子间相互作用很弱，那么在宇宙最初的万亿分之一秒它们是处于热平衡的。之后，由于湮灭它们开始脱离平衡。根据其相互作用截面估计，这些物质的能量密度大约占了宇宙总能量密度的20-30%。这与观测相符。CCDM被看好的第三个原因是，在一些理论模型中预言了一些非常有吸引力的候选粒子。

中性子

其中一个候选者就是中性子（neutralino），一种超对称模型中提出的粒子。超对称理论是超引力和超弦理论的基础，它要求每一个已知的费米子都要有一个伴随的玻色子（尚未观测到），同时每一个玻色子也要有一个伴随的费米子。如果超对称依然保持到今天，伴随粒子将都具有相同质量。但是由于在宇宙的早期超对称出现了自发的破缺，于是今天伴随粒子的质量也出现了变化。而且，大部分超对称伴随粒子是不稳定的，在超对称出现破缺之后不久就发生了衰变。但是，有一种最轻的伴随粒子（质量在100GeV的数量级）由于其自身的对称性避免了衰变的发生。在最简单模型中，这些粒子是呈电中性且弱相互作用的--是WIMP的理想候选者。如果暗物质是由中性子组成的，那么当地球穿过太阳附近的暗物质时，地下的探测器就能探测到这些粒子。另外有一点必须注意，这一探测并不能说明暗物质主要就是由WIMP构成的。实验还无法确定WIMP究竟是占了暗物质的大部分还是仅仅只占一小部分。

轴子

另一个候选者是轴子（axion），一种非常轻的中性粒子（其质量在1μeV的数量级上），它在大统一理论中起了重要的作用。轴子间通过极微小的力相互作用，由此它无法处于热平衡状态，因此不能很好的解释它在宇宙中的丰度。在宇宙中，轴子处于低温玻色子凝聚状态，已经建造了轴子探测器，探测工作也正在进行。

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.

探测成就

暗物质2012年4月，密歇根大学的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，碰撞一般每天发生大约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。

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。

它就是暗物质，一个让物理学界追寻半个多世纪的谜。但这个谜可能很快揭晓。当地时间3日，诺贝尔奖获得者、华裔物理学家丁肇中及其阿尔法磁谱仪项目团队宣布，已借助阿尔法磁谱仪发现40万个正电子，这些正电子很可能就来自人类一直寻找的暗物质。

暗物质科学家们希望确定银河系中央附近是否存在其他类型的伽玛射线，这些“光束”可能处于130GeV左右的能量区间上，对此，科学家也假设了是否是仪器问题导致的观测异常，加州大学天体物理学西蒙娜·穆尔贾称除了130GeV的光子外，我们还在2-3GeV能量区间内发现了低能伽玛射线。[6]

研究人员发现当暗物质之间发生相互“碰撞”时并不会降低其运行速度，这意味着暗物质粒子之间的相互作用比我们之前认为的要弱许多。

暗物质图中显示的为哈勃望远镜与钱德拉空间天文台的数据叠加图像，蓝色的为哈勃观测结果，粉红色的为钱德拉数据，展示了六个不同星系团暗物质之间碰撞的过程，这项调查共涉及72个大型星系团。

2017年11月30日，《自然》杂志在线发表文章：暗物质粒子探测卫星“悟空”（DAMPE）团队在北京发布首批科学成果。卫星首席科学家常进宣布，“悟空”卫星在轨运行的前530天共采集了约28亿颗高能宇宙射线，其中包含约150万颗25GeV以上的电子宇宙射线。基于这些数据，科研人员成功获取了国际上精度最高的电子宇宙射线能谱。该能谱将有助于发现暗物质存在的蛛丝马迹。