第11章 暗物质的观测证据

2012年7月7日，德国慕尼黑大学天文台的约尔格·迪特里希及其研究团队已探测到一个超星系团的丝状物中的暗物质成分。这个超星系团名为“阿伯尔222/223”，距地球约27亿光年。巨大的丝状物产生的引力使得从地球发射至遥远星系的光束发生弯曲。迪特里希的研究团队利用这种光束，计算出“阿伯尔222/223”超星系团丝状物的质量并绘制出它的形状。附近正常物质的炽热气体发出的X射线表明，正常物质是该超星系团丝状物的组成部分，但仅占其质量的10%。其余部分一定是暗物质。迪特里希说，这表明这些丝状物是“将宇宙中的星系团连接在一起的暗物质网络的一部分”。

2021年5月，国际暗能量调查（DES）团队的科学家利用人工智能分析了1亿个星系的形状和光的图像，绘制了一份覆盖南半球1/4天空（从地球上可见夜空总面积的1/8）的地图。这是迄今为止最大的暗物质地图。他们还绘制了巨大宇宙空洞的位置。这有助于人们更近距离地了解宇宙是由什么组成的，以及它是如何进化的。

 暗物质的观测证据

尽管暗物质尚未被直接探测到，但已经有大量证据表明其大量存在于宇宙中，例如：

星系旋转曲线与弥散速度分布

星系旋转曲线描述了漩涡星系中可见天体的环绕速度和其距离星系中心距离的关系。根据对漩涡星系中可见天体质量分布的观测以及万有引力定律的计算，靠外围的天体绕星系中心旋转的运动速度应当比靠中心的天体更慢。然而对大量漩涡星系旋转曲线的测量表明，外围天体的运行速度与内部天体近乎相同，远高于预期。这暗示着这些星系中存在着质量巨大的不可见的物质。结合位力定理，可以通过星系中可见天体的弥散速度分布计算出星系中的物质分布。这种方法同样适用于测量椭圆星系和球状星团的物质分布。结果表明，除个别以外，大部分星系和星团的物质分布都与观测到的可见物质的分布不符，可见物质的质量仅占星系和星团总质量的较小部分。[1]

星系团观测

星系团的质量分布主要可以通过三种不同的手段得出：（1）观测星系团中的星系的运动，通过引力理论计算得到。（2）观测星系团产生的X-射线。星系团中普遍存在能发射出X-射线的炽热气体，当气体在星系团引力场中达到流体力学平衡后，可通过其温度推测出星系团的质量分布。（3）引力透镜（gravitationallensing）效应。根据广义相对论，来自星系团背后的光线经过大质量星系团时会发生弯折，这与光学中的透镜类似。可一根据背景光线的弯折程度，推算出星系团中物质的分布。这三种方法互不影响，相互佐证，使得星系团观测成为研究暗物质的重要手段。这些观测一致表明星系团中物质的总质量远超出其中可见物质的总质量。

宇宙微波背景辐射

在宇宙尺度上，通过对宇宙中微波背景辐射（cosmicmicrowavebackgroundradiation）各向异性的精细观测，可以确定出宇宙中暗物质的总量。观测表明宇宙总能量的26.8%由暗物质贡献，构成天体和星际气体的常规物质只占4.9%，其余68.3%为推动宇宙加速膨胀的暗能量。 

宇宙大尺度结构的形成

大型计算机对宇宙演化的N－体引力模拟显示，无碰撞的低速暗物质粒子在引力作用下逐步聚集成团，这一过程能形成今天看到的大尺度结构。这些结构的暗物质分布具备普适的质量分布。低速运动的暗物质有利于大尺度结构的形成。而高速运动的粒子趋向于抹平结构。因此不支持中微子作为主要的暗物质粒子候选者。

探测手段

即使暗物质粒子与常规物质仅有微弱的相互作用，暗物质粒子也有可能被精密的实验仪器探测到。科学家采用的探测手段可以分为三类：一是探测暗物质粒子直接与探测器中的物质发生相互作用，称为“直接探测”；二是寻找宇宙中暗物质自身衰变或湮灭产生普通物质的信号，称为“间接探测”，三是探寻粒子对撞机中人为产生的暗物质粒子，称为“加速器探测”。

（1）直接探测。如果暗物质是由微观粒子构成的，那么每时每刻都应该有大量的暗物质粒子穿过地球。如果其中一个粒子撞击了探测器物质中的原子核，那么探测器就能检测到原子核能量的变化并通过分析撞击的性质了解暗物质属性。然而，对于弱相互作用有质量粒子（WIMPs）来说，由于它们与普通物质之间的相互作用极其微弱，被探测器捕捉到的概率也十分微弱。为了最大限度地屏蔽其他种类宇宙射线的干扰，暗物质直接探测实验往往在地下深处进行。全世界有数十个暗物质地下探测实验在进行中。尚未有直接探测试验发现暗物质粒子存在的确凿证据。这些实验的结果有力地限制了暗物质粒子的质量和相互作用强度。[1]

（2）间接探测。既然在银河系中存在着大量的暗物质粒子，那么应该可以探测到它们湮灭或衰变所产生的常规基本粒子，间接探测就是在天文观测中寻找这种湮灭或衰变信号，包括宇宙线中的高能的伽马射线、正负电子、正反质子、中子、中微子以及各种宇宙线核子。采取间接探测手段的实验可以是利用卫星或空间站搭载的空间探测器直接收集宇宙线粒子，或者是在地面观测高能宇宙线粒子进入地球大气时产生的簇射或切伦科夫光效应。通过分析宇宙线中各种粒子的数量和能谱，可以提取出宇宙中暗物质衰变或湮灭的信息。暗物质间接探测的难度在于宇宙中有众多并非由暗物质产生的高能射线源，并且宇宙线从产生到抵达地球附近要经历一个复杂的传播过程。当前对宇宙线的产生与传播过程的理解尚不全面，这给在宇宙线中寻找暗物质信号带来了挑战。全世界有多家暗物质空间探测实验在进行中。

（3）对撞机探测。另一种寻找暗物质的方法是在实验室产生暗物质粒子。在高能粒子对撞实验中，可能会有尚未被发现的粒子包括暗物质粒子被产生出来。如果对撞产生了暗物质粒子，由于其难以被探测器直接检测到，会导致被探测器检测到的对撞产物粒子的总能量和动量出现丢失的现象。这是产生了不可见粒子的一个特征。再结合直接或间接的探测手段，可以帮助确定对撞机中产生的粒子是否为暗物质粒子。