暗物质

基本概况

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。

暗物质在宇宙中所占的份额远远超过人类可以看到的物质。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%。

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。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。

发现历史

最早提出“暗物质”可能存在的是天文学家卡普坦（JacobusKapteyn），他于1922年提出可以通过星体系统的运动间接推断出星体周围可能存在的不可见物质。1932年，天文学家奥尔特（JanOort）对太阳系附近星体运动进行了暗物质研究。然而未能得出暗物质存在的确凿结论。1933年，天体物理学家兹威基（FritzZwicky）利用光谱红移测量了后发座星系团中各个星系相对于星系团的运动速度。利用位力定理，他发现星系团中星系的速度弥散度太高，仅靠星系团中可见星系的质量产生的引力是无法将其束缚在星系团内的，因此星系团中应该存在大量的暗物质，其质量为可见星系的至少百倍以上。史密斯（S.Smith）在1936年对室女座星系团的观测也支持这一结论。不过这一概念突破性的结论在当时未能引起学术界的重视。1939年，天文学家巴布科克（HoraceW.Babcock）通过研究仙女座大星云的光谱研究，显示星系外围的区域中星体的旋转运动速度远比通过开普勒定律预期的要大，对应于较大的质光比。这暗示着该星系中可能存在大量的暗物质。1940年奥尔特对星系NGC3115外围区域星体运动速度的研究，指出其总质光比可达约250。1959年凯恩（F.D.Kahn）和沃特（L.Woltjer）研究了彼此吸引的仙女座大星云和银河系之间的相对运动，通过相互它们靠近的速度和彼此间的距离，推论出人类所处的本星系团中的暗物质比可见物质的质量约大十倍。暗物质存在的一个重要证据来自1970年鲁宾（VeraRubin）和福特（KentFord）对仙女座大星云中星体旋转速度的研究。利用高精度的光谱测量技术，他们可以探测到远离星系核区域的外围星体绕星系旋转速度和距离的关系。按照牛顿万有引力定律，如果星系的质量主要集中在星系核区的可见星体上，星系外围的星体的速度将随着距离而减小。但观测结果表明在相当大的范围内星系外围的星体的速度是恒定的。这意味着星系中可能有大量的不可见物质并不仅仅分布在星系核心区，且其质量远大于发光星体的质量总和。1973年罗伯兹（M.S.Roberts）和罗兹（A.H.Rots）运用21厘米特征谱线观测技术探测仙女座大星云外围气体的速度分布，也从另一角度证实了这一结论。1980年代，出现了一大批支持暗物质存在的新观测数据，包括观测背景星系团时的引力透镜效应，星系和星团中炽热气体的温度分布，以及宇宙微波背景辐射的各向异性等。暗物质存在这一理论已逐渐被天文学和宇宙学界广泛认可。根据已有的观测数据综合分析，暗物质的主要成分不应该是已知的任何微观基本粒子。当今的粒子物理学正在通过各种手段努力探索暗物质粒子属性。^[1]

星系自转曲线

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。

星系与星系团观测

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。

虽然暗物质在宇宙中大量存在是一个普遍的看法，但是科学家们发现螺旋星系NGC 4736的旋转能完全依靠可见物质的引力来解释，也就是说这个星系没有暗物质或者暗物质很少。

宇宙微波背景辐射

宇宙微波背景辐射（cosmic microwave background radiation，简称CMB）最初发现于1964年。对于背景辐射的进一步观测也支持这个理论，并给予了更多架构理论模型的条件。这些观测中最著名的当属宇宙背景探测者（COBE）。COBE观测到2.726 K的辐射温度，以及在1992年第一次观测到约十万分之一的温度起伏（各向异性）。

在20世纪90年代，第一峰值的量测上不断提高敏感度。毫米波段气球观天计划提出的报告指出，最大的谱密度波动发生在尺度约为一度角时，这些观测足以排除宇宙弦作为宇宙结构形成的主因，而趋向于接受暴涨理论。

组成及分类

组成

暗物质

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。2014年6月22日，台大天文物理所阙志鸿研究团队发表论文主张，暗物质也可能是一种称为Ψ暗物质的极轻型粒子，其质量为电子的10-28倍，波长约为一千光年，而密度则为液态水的一百万倍。

分类

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。

虽然可以有第四个称为复合暗物质（mixed dark matter）的分类，但是这个理论在1990年代由于暗能量的发现而被舍弃。

探测实验

暗物质的探测在当代粒子物理及天体物理领域是一个很热门的研究领域。对于大质量弱相互作用粒子来说，物理学家可能通过放置在地下实验室，背景噪声减少到极低的探测器直接探测WIMP，也可以通过地面或太空望远镜对这种粒子在星系中心，太阳中心或者地球中心湮灭产生的其他粒子来间接探测。人们也希望欧洲大型强子对撞机（LHC）或者未来的国际直线加速器中人工创造出这些新粒子来。

直接探测实验

对于暗物质的直接探测实验一般都这设置于地底深处，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。

目前（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。低温探测实验包括了CDMS、CRESST、EDEDWEISS及EURECA。惰性液体探测实验包含了ZEPLIN、XENON、DEAP、ArDM、WARP、LUX和最深的Pandax。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。其他种类的探测器实验有SIMPLE和PICASSO。

间接探测WIMP。WIMP偶尔会撞上一个原子核。这一碰撞会散射原子核，进而使之和周围的原子核发生碰撞。由此科学家可以探测到这些相互作用所释放出的热量和闪光。

方向性的暗物质探测方式是运用太阳系绕行银河系的运动。利用低压TPC，可以得知反弹路径的资讯，并借此去了解WIMP与原子核的作用。从太阳行进方向入射的WIMP讯号可以从各向同性的背景噪声中分离出来。这类的探测实验包括有DMTPC、DRIFT、Newage和MIMAC。

2009年12月17日，CDMS的研究团队发表了两个可能的WIMP事件。他们估计这两起事件来自已知背景讯号（中子、错认的β射线或是伽马射线）的可能性是23%，并作出了这样的结论：“这个分析结果无法被视作WIMP的有力证据，但不能排除这两起事件来自WIMP的可能性。”

CoGeNT实验于2011年5月公布先前15个月的探测结果，显示粒子的碰撞率呈现周期性变化，夏天较高而冬天比较低，这可以看作是暗物质存在的证据之一。这个结果支持已经进行了13年的意大利的DAMA/LIBRA暗物质探测实验。CoGeNT的实验结果显示探测到的WIMP的质量是中子质量的5到10倍，这与其他的某些实验不符，但是其他实验对低能暗物质的探测精度没有CoGeNT高。

间接探测实验

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。

EGRET伽马射线望远镜过去观测到了超出预期量的伽马射线，但科学家认为这多半是来自系统中的效应。自2008年6月11日开始启动的费米伽马射线太空望远镜则正在搜寻暗物质湮灭产生伽马射线的事件。在较高能量区间，地上的MAGIC伽马射线望远镜已经对矮椭球星系以及星系团中的暗物质给予了某些限制。

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。

替代理论

虽然暗物质是目前在解释各种星系及星系团观测结果上最热门的理论，但目前仍没有暗物质的直接观测证据。有一些不包含大量不可探测物质（即暗物质）的替代理论也被提出来解释这些现象。这些替代理论大致可分成引力理论的修正以及量子引力。两者的区别在于引力理论的修正单纯地只对星系或宇宙尺度的引力效应作出修正，而不考虑量子尺度的问题。然而两者都主张牛顿或爱因斯坦的理论并不完备，引力在不同的尺度会有不一样的行为。

引力理论修正

引力理论修正（MOND）是对牛顿的万有引力公式修正，以解释星系自转曲线等问题而替代暗物质。

量子引力

量子引力是一个热门且广泛的研究领域，有时它被称作万有理论。一般来说，它是指企图统一引力以及量子力学的理论，这两门物理至今未能被完全整合。圈量子引力、超弦理论以及其继任的M理论皆属于这类的理论。

量子真空

物理学家Dragan Slavkov Hajdukovic提出，量子真空中的虚引力偶极能被邻近重恒星与星系中的重子物质引力极化（gravitationally polarized）。当虚偶极排列时，它们能产生额外的引力场，能与恒星及星系所产生的引力场结合，在星系的旋转曲线上产生相同的“加速”效应。

分布画图

2007年1月，暗物质分布图终于诞生了！他们使出了什么好手段化隐形为有形的呢？那可全亏了一项了不起的技术：引力透镜。

更妙的是这张分布图带给的信息。首先看到，即使光速，每秒30万公里，堪称极致，那也需要一定的时间。因为这段距离得用光年来计算，1光年相当于10万亿公里。因此，如果你往远处看，比如距离20亿光年的地方，那你所看到的东西是20亿年前的样子而不是现在的样子。就好像是回到了过去！明白了吗？好，现在回到分布图上，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。据美国太空网报道，神秘的暗物质一直以来都是自然界的未解之谜，引起了科学家们的探索和争论。

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。

美国明尼苏达大学科学家安吉拉-雷塞特尔是“低温暗物质搜寻计划”项目组成员之一。雷塞特尔表示，“就在的周围，存在一种暗物质流。每时每刻都存在一种交互。”她是在近期举行的美国物理学会一次会议上发表这一理论的。

在最新一期《科学快讯》杂志上，雷塞特尔和同事们发表论文声称，他们最近发现了两起事件，这些事件可能就是由暗物质撞击探测器所引起的。雷塞特尔表示，“此前的探测结果从来没有如此发现，这是首次。”“低温暗物质搜寻计划”位于明尼苏达州地下大约700米的一个矿井中。因此，矿井可以阻止其他任何物质抵达实验设备，除了暗物质。这样宇宙射线和其他粒子可能会与暗物质粒子混淆的可能性已基本被排除。探测器本身也主要是由锗元素或硅元素组成的曲棍球形状的小块。如果锗或硅原子的原子核被暗物质粒子击中，它就会反弹并向探测器发送一个信号。科学家发现，宇宙中的暗物质与一些小型的临近星系密切相关。这些星系只有数颗恒星，但它们的质量却是这些恒星单独质量的一百倍。这种隐藏的物质就被科学家称作暗物质。然而，研究人员也无法完全确定他们所探测到的两个信号究竟是由暗物质粒子还是由其他粒子引起的。这两个信号太少，因此科学家们也无法确定。据科学家介绍，他们的计算曾经预测到背景可能会引起一次假事件。“低温暗物质搜寻计划”将继续进行他们的实验以期发现更多实质性的信号。地球上另一项探寻暗物质的尝试聚焦于强大的粒子加速器，这类加速器可以将亚原子粒子加速到接近光速，然后让它们相互碰撞。科学家们希望通过这种难以置信的高速碰撞从而产生奇异粒子，其中包括暗物质粒子。然而，即使采用最强大的粒子加速器，至今也未能发现暗物质的任何迹象。美国马里兰大学科学家萨拉-恩诺表示，“你也许会问为什么会这样，为什么组成宇宙大部分的物质粒子为什么在的加速器中从来没有发现过。”原因之一可能就是他们的加速器还没达到足够强大。科学家们也无法确定暗物质粒子究竟有多大，有多重，以及究竟需要多大的能量才能够在实验室中发现它们。或许在任何加速器中都无法找到暗物质粒子。恩诺表示，“或许不知道这样一个事实，那就是暗物质粒子是无法制造或探测到的粒子。”现在，最大的希望就寄托于新型的粒子加速器大型强子对撞机身上。恩诺表示，“大型强子对撞机或许会最终让获得足够的能量以产生暗物质粒子，并在撞击中发出它们。”恩诺也是大型强子对撞机紧凑型μ子螺旋型磁谱仪实验项目组成员之一。

候选物质

暗物质

低温无碰撞暗物质

低温无碰撞暗物质（CCDM）被看好有几方面的原因。第一，CCDM的结构形成数值模拟结果与观测相一致。第二，作为一个特殊的亚类，弱相互作用大质量粒子（WIMP）可以很好的解释其在宇宙中的丰度。如果粒子间相互作用很弱，那么在宇宙最初的万亿分之一秒它们是处于热平衡的。之后，由于湮灭它们开始脱离平衡。根据其相互作用截面估计，这些物质的能量密度大约占了宇宙总能量密度的20-30%。这与观测相符。CCDM被看好的第三个原因是，在一些理论模型中预言了一些非常有吸引力的候选粒子。

中性子

其中一个候选者就是中性子（neutralino），一种超对称模型中提出的粒子。超对称理论是超引力和超弦理论的基础，它要求每一个已知的费米子都要有一个伴随的玻色子（尚未观测到），同时每一个玻色子也要有一个伴随的费米子。如果超对称依然保持到今天，伴随粒子将都具有相同质量。但是由于在宇宙的早期超对称出现了自发的破缺，于是今天伴随粒子的质量也出现了变化。而且，大部分超对称伴随粒子是不稳定的，在超对称出现破缺之后不久就发生了衰变。但是，有一种最轻的伴随粒子（质量在100GeV的数量级）由于其自身的对称性避免了衰变的发生。在最简单模型中，这些粒子是呈电中性且弱相互作用的--是WIMP的理想候选者。如果暗物质是由中性子组成的，那么当地球穿过太阳附近的暗物质时，地下的探测器就能探测到这些粒子。另外有一点必须注意，这一探测并不能说明暗物质主要就是由WIMP构成的。实验还无法确定WIMP究竟是占了暗物质的大部分还是仅仅只占一小部分。

轴子

另一个候选者是轴子（axion），一种非常轻的中性粒子（其质量在1μeV的数量级上），它在大统一理论中起了重要的作用。轴子间通过极微小的力相互作用，由此它无法处于热平衡状态，因此不能很好的解释它在宇宙中的丰度。在宇宙中，轴子处于低温玻色子凝聚状态，已经建造了轴子探测器，探测工作也正在进行。

研究进展

国外探测发现

美国科学家在地下废弃铁矿中捕获暗物质粒子

低温暗物质搜寻项目（CDMS），旨在使用探测器探测粒子间的互动，找到暗物质粒子引起的运动。美国科学家在位于加利福尼亚大学校园的隧道里的实验室2009年检测到了两种可能来自于暗物质粒子的信号。但他们同时表示，这些信号与暗物质粒子的相似度不高。他们在明尼苏达州的Souden煤矿地下约714米处安装更高级的实验室设备，以进行二期低温暗物质搜寻项目（CDMSⅡ）。暗物质现象会被进入地球的宇宙射线干扰，要减少宇宙射线μ介子粒子的背景信号影响，唯一的办法是到地底深处，这样才有把握确认暗物质的构成。

暗物质

其他实验也在探寻来自暗物质的信号，比如地下氙（Lux）实验。美国费米太空望远镜则试图定位暗物质，寻找其在空间湮没（暗物质发生碰撞时，两个粒子将生成可以被探测器接收到的γ射线）的证据，但目前没有任何发现。

2012年2月底，美国科学家称，他们通过一种最新的理论研究发现，地球和月球之间其实隐藏着大量神秘的暗物质。

科学家称首次探测到暗物质

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”。

脉冲星或是人们一直寻找的暗物质

人类对暗物质的理解和检测实现新进展。日内瓦时间2013年4月3日下午5点（北京时间2013年4月4日零点），诺贝尔物理奖获得者丁肇中教授在日内瓦欧洲核子中心，首次公布其领导的阿尔法磁谱仪（AMS）项目18年之后的第一个实验结果——已发现的40万个正电子可能来自一个共同之源，即脉冲星或人们一直寻找的暗物质。

至2013年，寻找暗物质粒子、研究暗能量的物理本质、探索宇宙起源及演化的奥秘、结合粒子物理和宇宙学的研究已成为21世纪天文学和物理学发展的一个重要趋势。诺贝尔物理学奖获得者李政道教授曾多次指出：“暗物质是笼罩20世纪末和21世纪初现代物理学的最大乌云，它将预示着物理学的又一次革命。”

暗物质不发光，也就是不发出电磁波，所以看不见，但与通常物质一样，暗物质有引力作用。这个引力效应让天文学家在宇宙空间发现暗物质占宇宙的23%，另外73%是暗能量。而组成身边这个世界的常规物质只占4%。虽然人们早已经猜测到暗物质可能存在，但一直以来从未明确探测到暗物质粒子，因此，还不能确定暗物质的性质。

丁肇中团队使用的阿尔法磁谱仪(AMS)，是安置于太空中的精密粒子探测装置，是至2013年以来灵敏度最高，也是最复杂、最昂贵的一台暗物质探测设备，代表了当今科学实验的最高技术手段，由16个国家和地区的600余名科学家历时近18年完成，耗资21亿美元，实验过程可能持续15至20年。

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。

丁肇中公布最新研究成果显示暗物质可能存在

新华网日内瓦2014年9月18日消息，诺贝尔奖得主、美籍华人物理学家丁肇中18日公布阿尔法磁谱仪项目最新研究成果，进一步显示宇宙射线中过量的正电子可能来自暗物质。

迄今最大暗物质地图绘成

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。相关研究将发表在最近的《皇家天文学会月刊》上。^[1]

中国研究进展

中国首个极深地下实验室——“中国锦屏地下实验室”于2010年12月12日在四川雅砻江锦屏水电站揭牌并投入使用，锦屏地下实验室垂直岩石覆盖达2400米，是当前世界岩石覆盖最深的实验室。它的建成标志着中国已经拥有了世界一流的洁净的低辐射研究平台，能够自主开展像暗物质探测这样的国际最前沿的基础研究课题。清华大学实验组的暗物质探测器已经率先进入实验室，并启动探测工作，而2012年上海交通大学等研究团队也将进入这里开展暗物质的探测研究。

2014年8月24日，以中国科学家为主导的大型暗物质探测实验组PandaX，在上海交通大学发布了实验组使用120公斤级液氙探测器所获得的首批数据。实验组宣布，探测至今尚未发现任何暗物质的事例。这个测量结果和其它一些实验所发现的轻质量暗物质疑似信号不兼容，对以往实验中所有发现的疑似信号提出了强烈质疑。

PandaX（熊猫计划）是“粒子和天体物理氙探测器”（Particle and Astrophysical Xenon Detector）的英文简写，是中国开展的首个百公斤级大型暗物质实验。该实验由上海交通大学牵头，包括中、美两国40多位研究人员，利用在空气中提纯的惰性元素氙作为探测媒介来寻找暗物质。经过自今年5月开始的一个多月时间运行，证实该实验组设计和研制的120公斤级液氙探测器的灵敏度已经达到世界先进水平，因而能够对至今为止所有疑似暗物质探测实验所获得的数据信号进行高精度的验证，这也标志着中国在暗物质探测这个前沿科学领域跨进世界先进行列。

物理和天文学家通过大量的天文观测推断出，宇宙中有大约27%的成分由一种有质量却与普通物质没有电磁和强相互作用的暗物质组成，在银河系里，暗物质比熟知的普通物质多了20倍以上。暗物质的本性之谜被普遍认为是21世纪物理和天文学中最具挑战性的问题之一。

2015年5月13日，由北京师范大学天文系教授张同杰领衔的宇宙中微子数值模拟团队，在“天河二号”超级计算机系统上，日前成功完成3万亿粒子数的宇宙中微子和暗物质数值模拟，揭示了宇宙大爆炸1600万年之后至今约137亿年的演化进程。

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。

暗物质候选者

弱相互作用有质量粒子（WIMP）是被最广泛讨论的暗物质候选者之一，它是指质量和相互作用强度在电弱标度附近的某种稳定粒子，通过热退耦机制获得已知的剩余丰度。WIMP应该基本是电中性和色中性的，因此不直接参与电磁和强相互作用。中微子也不参与强相互作用和电磁相互作用，但由于其在宇宙中以接近光速运动，属于“热暗物质”，不足以作为构成暗物质的主要成分。人类已知的粒子物理标准模型中，不存在同时满足这些性质的粒子，这意味着WIMP必须是超出标准模型的新物理粒子。已有理论预言的WIMP包括：超对称模型中最轻的超对称伴侣粒子，如超中性子（neutralino）；额外维理论中的最小Kaluza-Klein激发态粒子；LittleHiggs模型中的T-odd粒子。

另一个暗物质候选者是轴子（axion），一种非常轻的中性粒子，它与强相互作用中电荷共轭-宇称反演联合对称性破缺相联系。轴子间通过极微小的力相互作用，由此它无法与背景辐射处于热平衡状态，因此不会通过热退耦获得剩余丰度，但可以通过真空态的破缺成为冷暗物质。

由于尚未出现暗物质存在的直接探测证据，也有一些理论试图在不引入暗物质的情况下解释已有的天文观测现象。典型的一类理论是修正的牛顿引力理论（ModifiedNewtonianDynamics,MOND），这类理论主张牛顿或爱因斯坦的引力理论并不完备，引力在不同的尺度会有不一样的行为。然而，暗物质存在的证据来自许多互不相关的观测现象，要仅仅通过引力理论而不引入暗物质来同时解释所有的这些现象是非常有挑战性的。尤其是“子弹星团”事例中观测到的正在碰撞的星团中可见物质和其质量中心的明显分离，是支持暗物质存在而非引力理论需要修改的观测证据。^[1]

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。

参考资料

[1] 暗物质 · 科技日报[引用日期2021-05-31]

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