NASA/罗伯特·威廉斯（RobertWilliams）和哈勃深空团队（Hubble Deep Field Team）供图
哈勃太空望远镜拍下的“迄今为止探测到的宇宙最深处”照片。
1.引言
2.
暗物质是由什么构成的？3.
测量银河系的方法4.
质光比的发现5.
X射线与光线弯曲6.
暗物质与宇宙的命运7.
了解更多信息引 言
当您仰望夜空时，可以看到天空中布满无数
星辰。而当天文学家们用强大的
天文望远镜探索茫茫的宇宙深处时，看到的则是无数星系，它们组成了大型星系团和其他结构。由此您可能会认为宇宙主要由星系、恒星、气体和尘埃这些可见物质构成。然而大多数天文学家认为，可见物质只占宇宙总物质的一小部分。宇宙的大部分由我们看不到的物质构成——这些物质被称为暗物质。暗物质到底是什么？如何才能探测到暗物质？暗物质在整个宇宙中有多重要？
本文将对这些问题进行探讨。我们将为您介绍暗物质存在的证据，如何对其进行探测和研究，暗物质的性质，以及暗物质是如何决定宇宙的构造和命运的。
暗物质是什么？
简而言之，天文学家无法通过望远镜观测到暗物质。暗物质不发光也无法反射光线，所以不像恒星那样发亮。其实原子、分子和亚原子粒子是暗物质，你和我是暗物质，
地球上的一切都是暗物质。就连行星、棕矮星和
黑洞也是暗物质。从本质上说，暗物质是不可见的——科学家只能根据其对可见物质造成的引力效应来估测它们是否存在。-
我们无法看到暗物质，但可以根据其产生的
引力对可见物质造成的影响（旋转、引力透镜效应），或是高温的暗物质发出的
X射线来进行探测。总而言之，暗物质到底是什么呢？其构造如何？下面我们就为您解答。
暗物质是由什么构成的？
NASA/CXC/CfA/STScI/ESO
这张X射线望远镜拍摄的图像显示了暗物质（蓝色部分所示）是构成该星系的主要成分。
首先，暗物质可能是普通物质，由质子、中子和电子构成。这种普通物质不发光也不吸收光，但是能产生引力效应。有以下几种可能性：
棕矮星——这种大型天体的形成方式和恒星相同，但是它们没有聚集到足够的气体和尘埃，未达到足以发生氢聚变的临界质量（参见
恒星探秘、
太阳探秘）。棕矮星的质量约为太阳的5%，通常比行星大，比恒星小。天文学家将此类天体称为“MACHO”，是“MassiveCompact HaloObject（晕族大质量致密天体）”的缩写。“MACHO”可通过引力透镜效应探测到。但天文学家们认为，棕矮星的数量不够多，不足以构成星系中的暗物质。
白矮星——这是中小恒星死亡后的核心遗骸（参见
恒星探秘）。虽然宇宙中有大量白矮星存在，但是仍不足以用来解释暗物质（它们应该残留下大量的氦，但目前并未观测到）。
中子星/黑洞——它们是超新星爆发后，大型恒星的核心遗骸（参见
恒星探秘、
黑洞揭秘）。它们能产生引力效应，甚至能防止光向外逃逸，所以是不可见的。由于这些物质实在是太罕见了，因此并不能解释暗物质。
其次，暗物质可能是一种全新的物质，或称特殊物质。这种特殊物质可能由对普通物质产生微弱作用的亚原子组成，这种亚原子被称为弱作用重粒子（WIMP，WeaklyInteracting Massive Particles）。
中微子——即以近
光速运动的亚原子粒子，几乎没有什么质量。它们可以会构成星系之间的某些暗物质。但这些粒子运动速度快得足以挣脱星系引力，所以不太可能构成星系中的暗物质。因此，中微子构成大量暗物质的理论基本站不住脚。
新亚原子粒子——这类粒子可能有许多。它们大都来源于粒子超对称性理论，该理论将标准模型中的粒子数量翻了一倍（参见
原子粉碎机工作原理）。它们的运动速度相对缓慢，且温度较低（无法被红外线和
X射线望远镜探测到）。粒子物理学家正在积极寻找这些理论上的粒子存在的证据，以对暗物质做出解释。
中性伴随子（大质量的中微子）——与中微子相似的假想粒子，质量相对更大，运动更慢。虽然中性伴随子目前仍未被发现，但它们是特殊暗物质的可能性很大。
轴子——小型的中性、小质量（质量还不到电子的百万分之一）粒子。
光微子——与光子相似，但质量比光子大10倍至100倍。光微子不带电，与物质的作用微弱。科学家们估计，普通物质可能构成了宇宙中20%的暗物质。
测量银河系的方法
天文学家们开始研究星系（如我们所在的银河系）时，就遇到了暗物质的问题。如果我们从外部观察银河系的结构，会看到一千多亿颗恒星位于银河盘面。大多数恒星集中于银河盘面的中央附近，在银河系核心和银河系盘面核球的周围。在银河盘面的上方和下方，有几百个分散的球状星团和一个广大、暗淡的圆形区域，称为银晕。
NASA/内德·赖特（NedWright）供图
我们所在的星系——银河系
对银河系进行研究时，天文学家们希望测量星系和星团的质量以及质量分布状况。但对于像星系这样大的物质，您无法给它“称重”——您必须通过其他办法来测知其质量。一种办法是对光强度或发光度进行测量。发光度与恒星的质量有关（发光度越大，质量就越大——参见
恒星探秘）。通过测量发光度，我们了解到在太阳的轨道和银河系中心之间约有150亿个与太阳发光度相当的发光体（与太阳的质量相当）。
另一种办法是通过银盘的旋转来测量银河系的质量。请您想象银河系正在像
CD或者旋转木马那样旋转，而您则从其侧面进行观察。在银河系中，恒星距离中心的位置各有不同。有些恒星正在远离我们，而另一些恒星正在向我们靠近。我们可以利用多普勒效应，通过测量恒星发出的光来测定其运动速度和方向。然后就可以记录下离银河系中心不同距离的恒星的速度，由此画出银河系自转曲线。
多普勒效应正如消防车在远离我们时，其警笛声的音调会变低一样，恒星的运动也会影响我们接收到的光波波长。这种现象被称为多普勒效应。我们可以通过测量恒星光谱的谱线并将其与一盏标准灯的光谱进行比较，来测算多普勒效应（参见
光的原理和
恒星探秘）。测得的多普勒频移量能告诉我们恒星相对我们的运动速度。另外，还可从多普勒频移的方向得知恒星的运动方向。如果恒星的光谱产生蓝移，则恒星正朝我们移动。如果发生红移，则恒星正离我们远去。
从自转曲线可以得知银河系质量分布的状况。如果银河系与我们的太阳系相似，同样是质量集中于中心，则中心的
引力比较强（引力随距离递减）。因此，距离中心轨道较近的天体速度比较远的天体要快，就好像旋转中的滑冰选手把手夹紧时（即手离其身体中心较近时），其旋转速度最快。因此，我们推测距离银河中心越近的天体旋转速度就越高，并且由于距离的影响，银河系自转曲线将随距离增加呈指数级下降。
然而，下一页我们将谈到，天文学家们发现事实并非完全如他们所推测的那样。
质光比的发现
当天文学家们测量银河系自转曲线时，发现自传速度并未随着距离增加呈指数级下降——反而是增大了，最后稳定为一个近恒常值。于是他们推断银河系的大部分质量位于银河系边缘（距离
太阳轨道中心28,000光年），或者位于银晕部分。银河系外部区域和银晕部分发
光极少。因此，位于这些区域的物质（且该区域有大量此类物质）是不发光的，也就是暗物质。事实上，银河系中的暗物质比发光物质多六倍。
NASA/威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）科学小组供图
宇宙的构成
关于银河系具有高质光比的发现并不算什么新鲜事。在1933年，天文学家弗里兹·扎维奇（FritzZwicky）采用类似的方法测量星系团（大团围绕彼此旋转的星系）中的发光物质和旋转物质质量。他发现其质光比高于100。扎维奇认为总质量和发光物质质量之间产生差异是由于存在暗物质。当时他的发现并不为大多数天文学家所承认，但是今天人们已经普遍接受了暗物质存在的事实。
二十世纪六十年代，天文学家薇拉·鲁宾（VeraRubin）为仙女座星云（M31）绘制了自转曲线，发现曲线式样与银河系的自转曲线相似。她和同事肯特·福特（KentFord）为数个旋涡星系绘制了曲线，发现都与银河系的相似。这些结果引出了两种可能性：
我们对
引力和旋转的理解有某种根本性的错误。这种可能性不大，因为牛顿运动定律几个世纪以来经历了诸多的实践考验——该定律适用于大多数情况。当然物体以接近光速运动时或在极端引力状况下会有所不同，这类状况下物体运动遵循爱因斯坦的狭义和广义相对论（参见
狭义相对论基本原理）。
星系和星团中的暗物质一定比发光物质多得多。
天文学家可通过探查暗物质发出的
X射线来对其进行探测。下一节里我们将探讨暗物质如何使光线弯曲。
X射线与光线弯曲
除了自转曲线，天文学家们还通过观测
X射线来确定星系和星团中的大量物质。当气体被高温加热时（几百万摄氏度），将会放射出X射线。物质温度越高，射出的X射线就越多。因此，当天文学家们通过X射线望远镜观察星团间介质时（星团间的空间），他们发现了温度高达数千万至数亿摄氏度的大型气团。这些气团在光学望远镜下是不可见的。当天文学家们通过测量温度来估算其质量时，他们确认质光比达100或以上，这为暗物质的存在提供了更多证据。
-
NASA/CXC/E·奥沙利文（E.O'Sullivan）等供图
这张X射线望远镜拍摄的图像显示NGC455星系被一个温度达1千万摄氏度的气团包围。
暗物质通过引力使光线弯曲
爱因斯坦的广义相对论揭示了大质量天体可以通过引力使时空发生扭曲。让我们以一个大质量超级星团为例来探讨这个现象。这个超级星团可以使附近的时空发生扭曲。超级星团后方的某个遥远天体发出的光经过这个扭曲时空，于是光线发生了弯曲并汇聚到观察者处。因此，超级星团发挥了引力透镜的作用，这与光学透镜的原理很相似（参见
光的原理）。
根据透镜的不同形状，这个远处天体的扭曲图像可能以三种方式呈现：
球体——图像呈光环状，称为爱因斯坦环
长圆或椭圆形——图像被四分，并呈十字状，称为爱因斯坦十字
星团——图像呈一系列香蕉状弧形或小弧形
通过测量弯曲的角度，天文学家们可计算引力透镜的质量（弯曲得越厉害，透镜质量越大）。通过这种方法，天文学家们已经确定星团确实包含高质量物质，正如自转曲线和X射线图像所表明的一样。这些物质的质量超过了科学家们测算到的发光物质质量（即高质光比），并且为暗物质的存在提供了证据。
MOND：牛顿引力动力学修正理论
二十世纪八十年代，物理学家莫迪凯·米尔格罗姆（MordecaiMilgrom）指出，暗物质可能并不存在。他认为在涉及星系运动时，牛顿第二运动定律（力=质量×加速度，f=ma）这一物理学基本定律需要重新进行探讨。这将极大地改变我们对宇宙的理解，因为牛顿第二运动定律是许多物理定律的基础。
米尔格罗姆提出了对牛顿第二运动定律的修正，称为MOND，即牛顿引力动力学修正理论（Modified NewtonianDynamics）。这一修正理论为牛顿第二运动定律增加了一个新的数学常数。MOND理论遭到了许多天文学家和物理学家的怀疑，因为该理论并非作为一个基本物理定律而引入，只是针对一个特定问题提出的解决方案。
而且MOND理论无法解释通过采用不涉及牛二定律的其他手段所发现的暗物质存在的证据，如X射线天文学和引力透镜效应。此外，最近物理学家们以低达5×10-14m/s2的加速度测试了牛顿第二运动定律，报告得出F=ma公式有效，无需进行修正（见美国物理联合会会刊：《
牛顿第二运动定律》，2007年4月11日）。MOND理论尚存疑问，且仍在研究中。
暗物质与宇宙的命运
天文学家玛格丽特·盖勒（MargaretGeller）和艾米里奥·E·法尔科（Emilio E.Falco）在绘制出星系和星团在宇宙中的位置后，发现这些天体并不是随机分布在宇宙中的，而是聚合在一起呈丝线状（图中屏障），其间为太空（图中空洞），使得宇宙的结构呈蜘蛛网状。这个结构是如何形成的？是什么将其聚集在一起？
NASA/威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）科学小组供图，根据上图时间线，宇宙正在加速膨胀。
大爆炸理论指出，宇宙早期曾经历过大规模的膨胀，且至今仍在膨胀。对这种结构的唯一解释是，
引力使得一些星系凝聚成墙状或线状。要形成可将这些星系凝聚起来的引力，大爆炸必定残留下大量物质，尤其是不可见物质（即暗物质）。事实上，超级计算机对宇宙形成的模拟显示，宇宙初期聚集的暗物质随着时间的演变可最终形成星系、星团和大型结构。因此，暗物质可能是一个重要的“黏胶”，将整个宇宙结构汇聚到一起。未来需要研究的问题是，暗物质是否充满了星系墙间的整个宇宙。
暗物质不仅影响宇宙结构的形成，而且还将影响宇宙的命运。宇宙正在膨胀，但它会一直膨胀下去吗？引力终将决定这种膨胀的未来，而引力取决于宇宙的物质；具体来说，宇宙物质的临界密度为10-29g/cm3（相当于一个
电话亭中只有几个氢原子），这将决定宇宙的未来。
闭合宇宙——如果物质实际密度大于临界密度，则宇宙将会膨胀，接着放慢膨胀速度，然后停止膨胀，最后会坍缩，最终形成“宇宙大收缩”。
临界宇宙或平坦宇宙——如果物质实际密度等于临界密度，宇宙将永远膨胀下去，但随着时间的推移，膨胀速度将越来越慢。最后宇宙中的一切都将变冷。
扩张宇宙或开放宇宙——如果物质实际密度小于临界密度，宇宙将继续膨胀，膨胀速度不会改变。
物质密度的测量必须同时包括发光物质和暗物质。因此，了解宇宙中到底存在多少暗物质是非常重要的。
最近对遥远的超新星运动的观察显示，宇宙正在加速膨胀。这样就产生了第四种可能性，即加速宇宙，宇宙中的所有星系将相对快速地远离彼此，且宇宙最终将变冷变暗（比在开放宇宙中要快，但仍需几百亿年）。什么东西导致了这个加速，现在还不清楚。但导致加速的原因已被称为暗能量。暗能量比暗物质还要神秘，然而，要对宇宙的加速做出解释，则必定要有非常多的暗能量才行。
当前的宇宙学研究关注于解决以下问题：
暗物质的性质是什么？
到底存在多少暗物质？
暗物质在宇宙中的具体分布是怎样的？
暗能量是什么？
解决这些问题将有助于我们理解宇宙起源、构造和未来命运。
了解更多信……
