为什么说宇宙中藏有“暗物质”

    作者：傅承启

　　2010年12月12日，中国首个极深地下“暗物质”实验室投入使用。你可知道，暗物质是什么？为什么说宇宙中藏有暗物质？

　　怎样才能知道口袋里装了几颗糖呢？你可以打开口袋数一数，也可以不打开口袋用秤称一称，来估计糖的数量。1933年，瑞士天文学家兹维基就是这样估计星系团的质量的。他惊讶地发现，某些星系团根据发光物质“数”出来的质量远小于根据星系运动“称”出来的质量，两者竟相差10倍以上！这说明星系团内发光物质太少，大部分物质可能是不发光的！兹维基称其为“短缺质量”或“无踪质量”，意为一部分物质无影无踪不知上哪儿去了。

　　一开始并没有人重视兹维基的结果。过了将近40年后，类似的情况越来越多，天文学家开始明白，宇宙中可能存在不发光的物质。它们虽然不发光，但是有引力，所以能够感觉到它们的存在。天文学家把这种不能直接看见的物质统称为“暗物质”。

　　现在有越来越多的观测证据，例如星系团的形态、星系自转、引力透镜、星系团发出的X射线、宇宙微波背景辐射各向异性等都表明，宇宙中可能存在大量的暗物质。

　　先说星系团的形态。星系团中的星系都在快速运动着，但100多亿年来，星系团居然一直保持团状而不瓦解，内部一定有一种强大的引力将团内星系紧紧吸引住，否则这些星系早就会由于快速运动而四处飞散，星系团也早就土崩瓦解了。提供这种引力的主要就是暗物质。不仅如此，星系团的形成过程也应该有暗物质作为“陷阱”，吸引发光的物质落入其中而形成星系。

　　再说星系的自转。天文学家原以为星系边缘的恒星，一定也像行星绕太阳转动那样，距离越远，速度就越小，绕行的速度大致同距离的平方根成反比，这就是所谓的开普勒运动。1975年，美国女天文学家维拉·鲁宾发现，旋涡星系里大多数恒星都以相同的速度绕星系中心转动，这与上述理论完全相悖。最流行的解释就是星系晕里有大量的暗物质，它们的引力造成了星系奇特的转动曲线。

　　不仅如此，对宇宙密度的测量结果等表明，整个宇宙的物质组成中，可见物质同暗物质的质量之比大致在1∶5到1∶6之间。所以说，暗物质对我们整个宇宙都至关重要。

　　宇宙中的物质构成

　　那么暗物质是由什么组成的呢？可能有两种。一种就是普通物质，也就是所谓的重子物质，比如褐矮星、黑矮星、中子星、黑洞等发光微弱的天体。它们可以参与电磁相互作用，即可以发射光或吸收光。但是由于太小、太冷或太远而不能被目前的望远镜探测到。不过，根据理论研究可知，重子物质不可能占到这么高的比例。所以绝大部分暗物质可能是另一种物质——非重子物质。非重子物质不参与电磁相互作用，不会发光，也不会吸收光。按运动快慢，它又分为热暗物质和冷暗物质。但是，宇宙的大尺度结构表明热暗物质没有这么多，所以暗物质应该主要是冷暗物质。冷暗物质最有可能的候选者有渺中子、轴子、引力微子等。渺中子是超对称理论预言的粒子，它非常重，质量可以达到质子的1000倍。不过在宇宙中的分布非常稀疏。轴子也是理论预言的粒子，其质量非常小，只有质子的一百万亿分之一，但是密度非常大。目前对暗物质粒子的探测还在进行中，尚没有确定的结果。

　　关键词：暗物质

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