第10章 暗物质
暗物质（darkmatter），在宇宙学中又称为暗质，是指无法通过电磁波的观测进行研究，也就是不与电磁力产生作用的物质。人们已经发现宇宙中有大量暗物质的存在。暗物质的存在可以解决大爆炸理论中的不自洽性，对结构形成也非常地关键。暗物质很有可能是一种（或几种）粒子物理标准模型以外的新粒子所构成。对暗物质和暗能量的研究是现代宇宙学和粒子物理的重要课题。宇宙中最重要的成分是暗物质和暗能量，暗物质占宇宙25%，暗能量占70%，通常所观测到的普通物质只占宇宙质量的5%。
在宇宙学中，暗物质是指那些不发射任何光及电磁辐射的物质。暗物质存在的最早证据来源于对球状星系旋转速度的观测。大质量的星系团阿贝尔2218为科学家提供了暗物质存在的证据。通过星系团周围的弧线——背景星系扭曲的像，天文学家发现其中必定还含有更多看不见的物质。
最早提出证据并推断暗物质存在的是20世纪30年代荷兰科学家Jan Oort与美国加州理工学院的瑞士天文学家弗里茨·兹威基等人。
弗里茨·兹威基观测螺旋星系旋转速度时，发现星系外侧的旋转速度较牛顿重力预期的快，故推测必有数量庞大的质能拉住星系外侧组成，以使其不致因过大的离心力而脱离星系。
2006年，美国天文学家利用钱德拉X射线望远镜对星系团1E 0657-558进行观测，无意间观测到星系碰撞的过程，星系团碰撞威力之猛，使得暗物质与正常物质分开，因此发现了暗物质存在的直接证据。
子弹星系团是两个星系团碰撞的产物。其中普通物质——高温气体（粉色，X射线波段）——会碰撞、损失能量、运动速度变慢。星系团中的暗物质（蓝色，引力透镜观测）间相互作用很弱，可以彼此穿过。
虽然人们已经对暗物质作了许多天文观测，其组成成份至21世纪初仍未能全然了解。早期暗物质的理论著重在一些隐藏起来的一般物质星体，例如：黑洞、中子星、衰老的白矮星、褐矮星等。这些星体一般归类为晕族大质量致密天体（MAssive Compact Halo Objects，缩写为：MACHOs）然而多年来的天文观测无法找到足够量的MACHOs。
一般认为，难以探测的重子物质（如MACHOs以及一些气体）确实贡献了部分的暗物质，但证据指出这类的物质只占了其中一小部分。而其余的部分称作“非重子暗物质”。此外，星系转速曲线、引力透镜、宇宙结构形成、重子在星系团中的比例以及星系团丰度（结合独立得到的重子密度证据）等观测数据也指出宇宙中85-90%的质量不参与电磁作用。这类“非重子暗物质”一般猜测是由一种或多种不同于一般物质（电子、质子、中子、中微子等）的基本粒子所构成。
在众多可能是组成暗物质的成分中，最热门的要属一种被称为大质量弱相互作用粒子（英文叫做Weakly Interacting Massive Particle，简称WIMP）的新粒子了。这种粒子与普通物质的作用非常微弱，以致于他们虽然存在于周围，却从来没有被探测到过。还有一种被理论物理学家提出来解决强相互作用中CP问题，被称为轴子的新粒子，也很有可能是暗物质的成分之一。惰性中微子（sterile neutrino）也有可能是组成暗物质的一种成分。
历史上，人们将可能的暗物质分为三个大类：冷暗物质、温暗物质、热暗物质。这个分类并非依照粒子的真实温度，而是依照其运动的速率。
1、冷暗物质：在经典速度下运动的物质。
2、温暗物质：粒子运动速度足以产生相对论效应。
3、热暗物质：粒子速度接近光速。
对于暗物质的直接探测实验一般都设置于地底深处，以排除宇宙射线的背景噪声。这类的实验室包括美国的Soudan mine和DUSE、加拿大的SNOLAB地下实验室、意大利的大萨索国家实验室（Gran Sasso National Laboratory）、英国的Boulby mine以及中国四川省锦屏山地下2500米世界最深暗物质试验Pandax。
21世纪初大部分的实验使用低温探测器或惰性液体探测器。低温探测器是在低于100mK的环境下探射粒子撞击锗这类的晶体接收器所产生的热。惰性液体探测器则是探测液态氙或液态氩中粒子碰撞产生的闪烁。这两种探测技术都能够从其他粒子与电子对撞的噪声中辨识出暗物质与核子的碰撞。
暗物质的间接探测主要是观测其两两湮灭时所产生的讯号。由于其湮灭所产生的粒子与其暗物质的模型有关，有许多种类的实验被提出。假使暗物质是马约拉那粒子，则两个暗物质对撞会湮灭产生伽马射线或正负粒子对。如此可能会在星系晕生成大量伽马射线、反质子和正电子。实验计划PAMELA便是探测这类的讯号。然而在完全了解其他来源的背景噪声以前，这类的探测不足以当作暗物质的决定性证据。
21世纪的前14年，国际上相继开展了20多个暗物质探测实验，利用暗物质和探测器的直接碰撞来寻找暗物质。特别是2014年前的几年，意大利DAMA/LIBRA实验，美国CoGeNT、CDMS实验，以及德国CRESST实验先后宣称发现了疑似轻质量暗物质的信号，这些信号引起了科学界和公众的强烈兴趣。
第十三篇 暗物质分布图
2007年1月，经过4年的努力，70位研究人员绘制出这幅三维的“蓝图”，勾勒出相当于从地球上看，8个月亮并排所覆盖的天空范围中暗物质的轮廓。在这张图中，暗物质并不是无所不在，它们只在某些地方聚集成团状，而对另一些地方却不屑一顾。其次，将星系的图片与之重叠，看到星系与暗物质的位置基本吻合。有暗物质的地方，就有恒星和星系，没有暗物质的地方，就什么都没有。暗物质似乎相当于一个隐形的、但必不可少的背景，星系(包括银河系)在其中移动。分布图还为提供了一次真正的时光旅行的机会……分布图中越远的地方，离也越远。不过，背景中恒星所发出的光不是瞬间就能看到的，那你所看到的东西是20亿年前的样子而不是所看到这一时刻的样子。就好像是回到了过去。在分布图上，看到的是暗物质在25亿～75亿年前的样子。
那么在这个异常遥远的年代，暗物质看上去是什么样子的呢？好像一碗面糊。而离越近，暗物质就越是聚集在一起，像一个个的面包丁。这张神奇的分布图显示，暗物质的形态随着时间而发生着变化。更重要的是，这一分布图为了解暗物质的现状提供了一条线索。马赛天文物理实验室的让-保罗·克乃伯(Jean-Paul Kneib)参加了这张分布图的绘制工作，他认为这种“面包丁”的形状自25亿年以来就没有很大改变，所以看到的也就是暗物质现在的形状。那也在其中吗？把所有的数据综合起来再加上研究人员们的推测就可以在这锅宇宙浓汤中找到自己的历史。是的，是的……你可以把初生的宇宙设想成一个盛汤的大碗，汤里含有暗物质和普通物质……在这个碗里出现了两种相抗的现象：一方面是膨胀，试图把碗撑大；另一方面是引力，促使物质凝聚成块。结果，宇宙中的某些地方没有任何暗物质和可见物质，而它们在另外一些地方却异常密集：暗物质聚集在一起，星系则挂靠在暗物质上，就像挂在钩子上的画。但可惜的是，对暗物质究竟是什么还是一无所知……美国科学家称暗物质或许就存在于地球之上，“暗物质”星系团，也被称为“子弹星系团”，距离地球38亿光年。通过研究这类星系团，科学家能够测量出暗物质的不可见影响。
美国“低温暗物质搜寻计划”项目组科学家研究指出，暗物质或许就存在于地球之上。暗物质就因为它“模糊、隐晦”的特点而很难发现。事实上，科学家们也不知道究竟何为暗物质。由于暗物质既不释放任何光线，也不反射任何光线，因此最强大的天文望远镜都无法直接探测到它。自20世纪70年代以来，科学家们根据对许多大型天体之间，如星系之间的引力效果的观测发现，常规物质不可能引起如此大的引力，因此暗物质的存在理论被广泛认同。根据科学家们的理论，暗物质通常也不会与大多数常规物质结合。有的观点认为，暗物质能够直接穿越地球、房屋和人们的身体。一些科学家已经开始在地下寻找暗物质粒子存在的证据。