暗物质之谜

（文 / 苗千）

( 荷兰天文学家简·奥尔特 )

自从20世纪30年代，荷兰天文学家简·奥尔特（Jan Hendrick Oort）和瑞士天文学家弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）首次在天文学观测中发现了“暗物质”，之后随着“暗能量”的发现，人类对于宇宙的认识被彻底改变了。人类逐渐意识到，对于宇宙的构成，目前仍然知之甚少。根据目前宇宙学的基础理论，整个宇宙的70%由暗能量构成，25%由暗物质构成，只有5%由目前人类所能够理解的“普通物质”构成。几十年来，人们一直在探索暗物质的本质，可是直到现在暗物质对于人类来说仍然是一个谜。

目前，人类也只能够确定暗物质不是什么。暗物质不是宇宙中可见星系的组成物质，不是反物质，不是黑洞，也不是目前人们所认知的任何物质。暗物质不吸收或是发射电磁辐射，也不参与强相互作用，因此人类通常所用的探测手段都无法探测到暗物质的存在。在人类已知的四种相互作用形式中，暗物质只参与引力与弱相互作用，因此人类在大多情况下都只能在太空观测中通过暗物质的引力场对于光线的扭曲形成的“引力透镜”作用来探知暗物质的位置、质量和其他性质。

如今宇宙学家们已经习惯了宇宙中暗物质的存在，同时在宇宙学的一些理论中也加入了暗物质的部分，但是因为人类对于暗物质的性质仍然知之甚少，现在人们对于暗物质的探测，常常会得出相互矛盾的结论。人类目前对于这种弥漫在宇宙各处却又显得神秘莫测的物质仍然缺少有效的探测方法，只能在一种类似于盲人摸象的困境中缓慢前行。

2005年，来自阿雷西博天文台（Arecibo Observatory）和英国卡迪夫大学的科学家在观测室女座星系团的氢气辐射时，发现距离地球5000万光年，质量是太阳100亿倍的VIRGOHI21星系是一个主要由暗物质构成的星系，这个星系中氢气只占星系总质量的1%，星系剩余的大部分质量都是由暗物质组成。这个暗物质星系的发现解决了科学家们的另外一个疑问，就是为什么在VIRGOHI21星系旁边的NGC4254星系向它的邻居倾斜。在NGC4254星系的所有旋臂中，临近VIRGOHI21星系的旋臂明显长于其他几个——现在科学家们明白了，这是由于暗物质星系的引力作用。他们的这一发现也被发表于《天体物理学期刊》（The Astrophysical Journal），而VIRGOH21星系则成为人类发现的第一个暗物质星系。对此，来自卡迪夫大学的科学家乔·戴维斯（Jon Davis）说，“宇宙对于人类来说还有很多秘密没有揭开，但是看起来人们已经开始明白怎样正确认识宇宙”。

暗物质星系并非全都距离地球非常遥远，在2011年，科学家们又发现了一个主要由暗物质组成的星系。这个距离地球26万光年的星系就在银河系的旁边，属于银河系的卫星星系。这个质量相当于银河系1%的卫星星系主要由暗物质构成，属于银河系第三大的卫星星系，而科学家们之所以直到2011年才发现它，是因为这个星系与形状扁平的银河系处于同一个平面上，不利于天文观测。

( 瑞士天文学家弗里茨·兹威基 )

这个银河系边缘暗物质星系的发现也引发了另一个宇宙学问题，根据现有的星系形成的理论，人类现在居住的银河系是经过了数十亿年的演化，由无数的小星系碰撞、合并而形成的。那么，在银河系周围，应该围绕着上万个相比银河系小得多的矮星系，可是直到现在为止人们也只在银河系的周围发现了几十个矮星系，完全不符合星系形成理论。这个现象究竟是意味着现有的星系形成理论需要修改，还是银河系周围其余的矮星系大多数都是由暗物质构成？这个问题只能通过科学家们在太空中继续观测，寻找银河系边缘的暗物质星系才能回答。

在宇宙中，暗物质与普通物质的分布有什么规律？有些科学家认为，因为不参与电磁相互作用与强相互作用，因此，暗物质粒子可以在物质中随意“穿行”，但是因为暗物质也参与引力作用，因此在宇宙中暗物质与普通物质会相互吸引，逐渐聚集，因此在宇宙中可见星系的位置正应该是暗物质聚集的区域。对此，科学家们的观测结果彼此不同。两组天文学家在分析据地球23亿光年的Abell383星系团的暗物质分布时，得出了相反的结果。一组科学家认为，暗物质由于引力的作用聚集在星系团的中心；而另一组的科学家则认为，在星系团中心位置并没有太多的暗物质存在。2012年3月，哈勃望远镜发回的数据显示，宇宙中两个星系团相互碰撞后，暗物质并没有随着其他发光物质一起运动，而是落在了后面，形成了一个“暗物质核心”，在这个核心周围只有几个小星系。

来自美国密歇根大学和斯坦福大学等机构的科学家们通过分析位于夏威夷的昴星团望远镜的观测结果，认为在宇宙中存在着由暗物质构成的“宇宙网”，这个网络决定了宇宙中物质分布的基本架构。他们通过研究Abell222与Abell223星系团，发现在这两个星系团之间存在着一个由暗物质构成的连线。他们认为，这证明了宇宙中的发光物质组成的星系团大多出现在由暗物质构成的宇宙网的节点处，这一结果在2012年7月份发表在《自然》杂志上。

暗物质星系似乎遍布宇宙各处。2012年1月，在远离银河系的宇宙的另一个区域，一组美国科学家发现了一个目前为止距离地球最遥远的暗物质星系，这个距离地球100亿光年之外的星系大部分由暗物质构成。这个暗物质星系同样也附着在一个大星系的边缘。暗物质星系是否多为卫星星系，是否都附着在大星系的边缘，它们都具有怎样的性质？通过人类目前发现的这几个暗物质星系还无法得出结论。位于夏威夷的KeⅡ望远镜正在继续观察宇宙的其他领域，希望发现更多的暗物质星系，从而归纳出暗物质星系的特点。

在宇宙中对于暗物质星系的探测可以检验宇宙学的各种理论，但是要想探明暗物质粒子的性质，还需要在地球上进行。地球上的暗物质探测器为了不受高能宇宙射线的干扰，大多安置在地下深处。暗物质粒子的候选者，除了目前人们已经有所了解的，可以以近似光速运动的中微子，科学家们还构想出了一种“弱相互作用大质量粒子”即WIMP粒子。这种只能通过引力和弱相互作用进行探测的假想中的粒子，究竟具有什么性质，只能通过暗物质探测器进行探测。目前在地球上的暗物质探测器，给出了相互矛盾的结果：在美国明尼苏达进行的CoGeNT实验和在意大利进行的DAMA/LIBRA实验显示，在每年6月份探测到的暗物质粒子最多，而12月份探测到的暗物质粒子最少，其他月份探测到的暗物质粒子则都差不多。有的科学家认为，这是因为在银河系中充斥着暗物质粒子，地球在银河系中穿行，暗物质粒子像风一样吹来，在6月份时地球迎着暗物质“粒子风”运行，因此探测到的暗物质粒子最多；在12月份时地球运行与暗物质“粒子风”同向，因此探测到的暗物质粒子最少。这个假设固然听上去不无道理，但是在更为灵敏的暗物质探测，CDMS Ⅱ实验和XENON100实验中，却没有观测到这个现象。彼此矛盾的探测结果让科学家们不知所措，只能继续找办法探测暗物质粒子的运行方向。

来自美国生物足迹公司的科学家安杰·德鲁克(Andrzej Drukier)正在准备制造一种特殊的暗物质粒子探测器，这个探测器有一个面积为1平方米的金箔，金箔上面则布满了单链DNA分子。当暗物质粒子经过这个探测器时，它有可能通过弱相互作用撞击到金原子核，使金原子偏离原来位置。这样，原本附着在金原子上的DNA分子也会偏离原来的位置而被人们检测出来——通过这种方式，这个新型的暗物质探测器不仅可以探测到暗物质粒子，还可以显示出暗物质粒子的运行方向和能量，这个探测器在理论上可以比现有的暗物质探测器灵敏100倍以上。现在，科学家们正在制作这种新型的探测器，也许不久以后就会得到来自它的探测结果。

人类对于暗物质这种看不到、摸不着，至今仍然毫无头绪的神秘物质的探索，可能比故事中摸象的盲人还面临着更多的困难。在人类探索暗物质的过程中，一个个相互矛盾的假说或是数据让人迷惑，也在刺激着人们的想象力。宇宙的另一面，自然界更深的秘密，就是这样，以一种笨拙的方式，被一点点揭开。 暗物质存在形式银河系天文之谜粒子物理学银河系黑洞暗物质银河系中心地球质量