11个有关暗物质未解之谜：为你揭开暗物质的神秘面纱

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北京时间12月1日消息，据国外媒体报道，上世纪30年代，一位名叫弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）的瑞士天文学家注意到，一个位于遥远星团中的星系的旋转速度远快于通过其可见物质计算得出的旋转速度。因此他提出，这些星系中也许存在某种看不见的物质、即暗物质，通过引力拉动星系旋转。

　　此后，研究人员证实了宇宙各处都存在这种神秘物质，并且其总量多达构成恒星、人体等普通物质的六倍。然而，尽管我们知道宇宙中存在暗物质，它们仍令科学家大伤脑筋。本文将为你介绍11个有关暗物质的未解之谜。

　　暗物质是什么？

　　首先要说的一点、也最令人为难的一点是，研究人员仍不清楚暗物质究竟为何物。一开始有科学家猜测，宇宙中失踪的质量也许由黯淡的小型恒星及黑洞构成。但美国能源部费米实验室科学家唐·林肯（Don Lincoln）指出，详细观测结果显示，这些天体的数量根本不足以解释暗物质的重大影响。目前最可能解释暗物质之谜的“候选人”为“弱相互作用大质量粒子”，简称WIMP。该粒子的行为方式类似于中子，但质量可能比质子重10至100倍。不过，这种猜想又带来了更多问题，由于数量太多，在此就不一一列举了。

　　我们能否探测到暗物质？

　　如果暗物质由WIMP粒子构成，就应该无处不在，但无法被我们看见、也很难被探测到。那么，我们为何连一丁点WIMP粒子都没找到呢？虽然这类粒子几乎不与普通物质发生互动，但它们在宇宙中穿梭时，偶尔也会撞上一个质子或电子这样的普通粒子。因此，科学家在地下开展了一次又一次用到大量普通粒子的实验，避开外界的辐射干扰，模拟暗物质粒子的撞击过程。但问题是，在数十年的研究之后，这些探测器仍未做出任何具有可信度的发现。今年年初，中国PandaX实验报告了最新一次WIMP粒子的探测情况，结果又是一无所获。加州大学河滨分校物理学家Hai-Bo Yu指出，照这样看来，真正的暗物质粒子可能比WIMP粒子小得多，或者其特性会大大增加研究难度。

　　暗物质仅由一种粒子构成吗？

　　普通物质既可以由质子、电子这样的普通粒子构成，也可以由中微子、渺子、介子这样奇奇怪怪的粒子构成。因此有些研究人员提出，占了宇宙全部物质85%的暗物质是否也会如此复杂呢？“我们没有理由认为，宇宙中的所有暗物质都仅由一种粒子构成。”哈佛大学物理学家安德烈·卡兹（Andrey Katz）指出。例如，暗质子可以与暗电子结合，构成暗原子，暗物质的世界也可以与我们见到的世界同样丰富、有趣。虽然越来越多的物理实验室开始提出类似的设想，但无论是证实还是证伪，都令科学家们一筹莫展。

　　暗力量存在吗？

　　除了暗物质粒子之外，暗物质还可能会受到“暗力量”的影响，就像普通力对普通物质的影响一样。一些研究人员一直在寻找“暗光子”。这种粒子类似于在普通粒子之间来回互换、从而产生电磁力的普通光子，只不过唯有暗物质粒子才能感觉到它的存在。意大利物理学家正准备用一束电子和正电子轰击钻石。假如暗光子真的存在，电子-正电子对就会湮灭，生成一个携带特殊力的“暗光子”。如果成功，或许会打开一个全新的宇宙领域。

　　暗物质会不会由轴子构成？

　　随着物理学家逐渐对WIMP粒子失去兴趣，其它暗物质粒子“候选人”开始越来越获青睐。其中为首的是一种叫做“轴子”（axion）的粒子。轴子质量极轻，可能只有质子的1031分之一。有几项实验正在对轴子展开研究。近期计算机模拟显示，轴子也许会形成类似恒星的天体，而这些天体可能会产生可被探测到的、类似快速射电暴的辐射。

　　暗物质有哪些特性？

　　天文学家通过暗物质与普通物质间的引力作用发现了暗物质的存在，说明这是暗物质在宇宙中露面的主要途径。但要弄清暗物质的本质，科学家却步履维艰。一些理论认为，暗物质粒子应当是它们自身的反粒子，意味着两个暗物质粒子一旦相遇、就会瞬间湮灭。自2011年起，国际空间站上的α磁谱仪实验便一直在寻找这种湮灭信号，迄今已探测到了数十万次。科学家尚不确定这些湮灭信号是否来自于暗物质，也尚且无法通过这些信号进一步了解暗物质的本质。

　　每个星系中都存在暗物质吗？

　　由于暗物质的质量远超普通物质质量，暗物质常被说成维系星系和星团的“控制力量”。但今年年初，天文学家发现了一个名叫NGC 1052-DF2的星系，其中似乎不含任何暗物质。耶鲁大学的皮埃特·冯·多库姆（Pieter van Dokkum）当时表示：“暗物质显然不是形成星系的必需项。”然而在今年夏天，另一支研究团队发布了自己的分析结果，认为多库姆的团队对该星系的距离测量有误，这意味着该星系中的可见物质其实比多库姆声称的少得多，暗物质的质量则比其提出的多得多。

　　如何解释DAMA/LIBRA实验结果？

　　长时间以来，欧洲DAMA/LIBRA实验的结果一直令粒子物理界的科学家们困惑不已。该探测器位于意大利格兰萨索山的一处地下矿井中，一直在寻找暗物质粒子的周期性振荡现象。按理说，地球在公转过程中，如果刚好从围绕太阳系的暗物质星系流中穿过，就会发生这种振荡现象。自1997年来，DAMA/LIBRA实验多次宣称观察到了这类振荡信号，但其它实验均未观察到过。

　　暗物质是否带电荷？

　　一个从宇宙之初发出的信号让一些物理学家认为，暗物质也许带有电荷。宇宙初期、即大爆炸后1.8亿年形成的恒星会发射波长21厘米的辐射。而这些辐射随后又会被低温氢吸收。今年二月探测到这一辐射信号时，其谱线显示，吸收辐射的氢的温度比之前预想的还要低得多。哈佛大学天体物理学家朱利安·穆诺兹（Julian Muñoz）猜想，带电荷的暗物质也许从氢中带走了一部分热量，就像饮料中的冰块一样。但这一猜想尚未得到证实。

　　普通粒子会衰变成暗物质吗？

　　中子是一种寿命有限的普通粒子。过了14.5分钟左右，一个单独存在的中子就会衰变成一个质子、一个电子和一个中微子。但在两次不同的实验中，得出的中子衰变时间略有区别，约相差9秒。今年年初有物理学家提出，如果中子衰变过程中，有1%的时间里，部分中子会衰变成暗物质，就可以解释这种异常差异了。美国新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室的克里斯托弗·莫里斯（Christopher Morris）及其团队对中子进行了密切监测，希望找到可能为暗物质的信号，但一无所获。该研究认为，中子衰变也许还有其它解释。

　　暗物质真的存在吗？

　　由于科学家对暗物质的探测和解释如此困难，自然有人猜测，这一切可能从一开始就是错的。多年来，一直有少数物理学家认为我们的引力理论并不正确，基本力在大尺度上的运作机制与我们的猜想并不一致。有一种名叫“修正牛顿力学”的理论认为，根本不存在暗物质这种东西，恒星和星系的旋转速度之所以比我们预先的要快，是因为引力的作用方式超出了我们的想象。用物理学家唐·林肯的话来说：“暗物质模型尚未得到证实。”但暗物质的反对者同样无法证实他们的观点。并且最新证据显示，暗物质是确实存在的。