安迪·布里格斯在《天文学要点》|空间|上发表暗物质不发射光。在任何已有的工具基础上，暗物质不能直接被天文学家观测到。但是，天体物理学家相信暗物质和暗能量构成了宇宙中的大部分质量。什么是暗物质，什么不是。
一幅看上去飘逸、宇宙般的蓝色长缕画，上面点缀着大小不一的圆孔。
自20世纪30年代以来，天体物理学家一直在尝试着解释，为什么星系中的可见物质不能解释星系是怎么形成的，或者它们有着怎样的行为。他们相信有一种黑暗的或者不可见的物质弥漫着我们的宇宙，但他们仍然不知道暗物质应该是什么样的。 图源：科学警报
暗物质是一种充满神秘感的物质，被认为大约占宇宙组成成分的27%。暗物质究竟是什么？或许说它不是什么更容易些。
它不是普通的原子-组成我们身体以及周围一切的成分-因为根据一种称为兰布达冷暗物质模型（又称兰布达-CDM模型，或者有时候就是标准模型）的宇宙模型，原子只占宇宙的大约5%。
暗物质跟暗能量不是一回事，根据标准模型，暗能量大概占宇宙的68%。
暗物质是不可见的：它不发射、反射或者吸收光以及任何类型的电磁辐射，比如X射线或者无线电波。因此，暗物质不能被直接探测到，因为除了探测引力波，我们对宇宙的所有观测都涉及到用望远镜捕捉电磁辐射。
然而，暗物质确实会与普通物质发生相互作用。它对于宇宙中的大型结构比如星系和星系团展现出了可测量的引力效应。正因如此，尽管天文学家不能直接看到暗物质，但却可以绘制出宇宙中暗物质分布的地图。
他们通过测量暗物质通过引力对普通物质的作用来做到这一点。
一个扁平的球形，上面均匀地分布着深蓝、浅蓝以及绿色的斑块。
这张发表于2013年的全景图显示了投射在天空上的暗物质在整个宇宙历史中的分布。它基于欧洲航天局的普朗克卫星所收集到的数据。深蓝色区域代表的区域密度比周围的区域大。浅蓝色区域代表了密度较小的区域。图像的灰色部分对应着天空的斑块，前景辐射主要来自银河系，但也来自附近的星系，使宇宙学家无法看清。图源：欧洲航天局
目前，国际上正在努力确定暗物质的性质。为了解决这个问题，天文学家们使用了大量的先进技术，他们设计了更加复杂和敏感的探测器，以梳理出这种神秘物质的身份。
暗物质可能由一种至今未被确认的亚原子粒子构成，这种亚原子粒子完全不同于科学家所说的重子。重子只是普通的物质，在我们的周围随处可见，由质子和中子组成的普通原子构成。候选的亚原子粒子被分成了几个群组：一组是WIPs（大质量弱相互作用粒子），一类被认为在早期宇宙就被产生的粒子。天文学家相信当WIPs相互碰撞时有可能会自我湮灭，所以他们在天空中寻找一些事件的轨迹，比如中微子或伽马射线的释放。
到目前为止，他们什么都没找到。此外，尽管有一种叫做超对称的理论预测了与WIPs有相同性质的粒子的存在，但是直接寻找这个粒子的反复搜索也没有发现任何东西，并且在大型强子对撞机上的实验也完全没有发现预期的超对称的存在。
有几种不同类型的探测器已经被用来探测WIPs。通常的想法是，在非常偶然的情况下，一个WIPs可能会和一个普通原子发生碰撞并释放一束微弱的光，这束光可以被探测到。迄今为止最灵敏的探测器是XENON1T,它由10米长的圆柱体组成，内含3.2吨液氙，周围环绕着光电倍增管，这些光电倍增管用来探测和放大来自这些罕见反应里的非常微弱的闪光。截至2019年7月，当时该探测器退役，为更灵敏的仪器XENOnT铺平了道路，但是却没有观察到WIPs与氙原子发生碰撞。
尽管WIPs长期以来一直被视为暗物质的最佳候选粒子，但它们却不是唯一的候选者。未能找到WIPs，以及随之而来的不能解释占宇宙质量很大比例的沮丧，使得很多科学家转而寻找其它可能的粒子。
在这时，一个叫做轴粒子的假想粒子受到了大量的关注。除了作为暗物质的强有力的候选粒子，轴粒子的存在也被认为为物理学中一些长期存在的其他问题提供了答案，比如强CP问题。
穿着白衬衫的微笑着的老人坐下来，指着什么东西。
天文学家弗里茨·茨维基在1930年代根据他对后发座星系团的观察首次预测了暗物质的存在。图源：茨维基基金会
这种认为宇宙中可能存在对我们来说不可见、也不发射光的物质的观点，已经有很长一段历史了，可以追溯到几百年前牛顿的时代。随着所谓的“暗星云”（阻挡了来自背景恒星的光的星际尘埃云）的发现，以及皮埃尔·拉普拉斯在18世纪关于可能吞没光线的物体（后来被称为黑洞）的猜测，天文学家开始接受所谓“暗宇宙”的存在。
但是在现代，天文学家弗里茨·兹威基于1930年代第一次观测到了我们现在称之为暗物质的物体。他在1933年对后发座星系团的观测似乎暗示着它的质量是之前埃德温·哈勃计算出的质量的500多倍。并且，这些额外的质量貌似完全不可见。尽管一开始兹威基的观测遭受了很多怀疑，但这些结果之后被其它天文学家小组的观测证实。
三十年后，天文学家维拉·鲁宾提供了一系列暗物质存在的证据。她发现星系中心旋转的速度和它们边缘的速度相同，但是，当然，它们应该旋转的更快。想想唱片台上的黑胶唱片：它的中心比边缘旋转的快一些。这也是我们在星系中也应该看到的逻辑，但我们没有。解释这个现象的唯一方法就是整个星系只是某些更大结构的中心，就好像它只是唱片上的标签一样，导致了星系从它的中心到边缘都保持一致的旋转速度。
维拉·鲁宾，茨维基的追随者，假设星系中缺失的结构是暗物质。她的想法遭受到了很多来自天文学界的反对，但是她的观测结果已经被证实，且在今天被视为暗物质存在的关键证据。为了纪念这个至关重要的、具有历史意义的确定暗物质的存在的探索工作，目前正在智利建造中的革命性的、计划明年见到初光的大型巡天望远镜，最近被重新命名为维拉C.鲁宾天文台。
一位年轻的女天文学家穿着裙子，在望远镜前工作，周围都是男天文学家。
暗物质先锋者维拉·鲁宾（1928-2016）。这张照片摄于1965年洛厄尔天文台。图源：卡内基研究所/美国国家公共电台。
一些天文学家试图通过所谓的修正牛顿动力学（MOND）来否定暗物质存在的必要性。这背后的想法是，引力在长距离上的表现和它在局部的表现不一样，并且这种行为上的差异解释了一些现象，比如星系旋转曲线，我们认为它是暗物质造成的。
尽管MOND有它的支持者，但是当它可以用来解释单个星系的旋转曲线的时候，MOND的现有版本却不能简单地解释更大结构的行为和运动，比如星系团，并且，在它现有形式中，它被认为不能完全解释暗物质的存在。也就是说，引力在所有距离尺度上确实表现的一样。另一方面，大多版本的MOND都有两种引力，较弱的一个发生在低质量浓度的区域，比如在星系的外围。然而，并非不可想象的是，未来会有某个新的MOND版本来解释暗物质。
尽管某些天文学家相信在未来我们会确定暗物质的性质，但目前为止这项研究被证明是徒劳的，我们知道，宇宙经常会给带来我们惊喜，没有什么是理所当然的。天文学家正在采用的方法是剔除这些不可能是暗物质的粒子，但愿留给我们的是一个真正的暗物质。
这种方法是否正确还有待观察。
结论：根据天文学理论，暗物质约占宇宙的27%。它不能用天文学家已有的工具被直接看到或者探测到，但是它的影响可以通过它对普通物质的引力来测量。
BY: earthsky
FY: Turboj
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