物理学中未解决的问题之一：暗物质（Dark matter） 图文并茂

天文学家利用哈柏太空望远镜（Hubble Space Telescope，HST）获取至今最详细的宇宙暗物质（dark matter）分布图，可帮助天文学家了解宇宙早期暗物质对各种天体形成的重要性，并显示星系团形成年代可能比科学家目前已知的还早。暗物质是不可见的物质，科学家对其性质也不清楚。

        美国航太总署（NASA）喷射推进实验室（ Jet Propulsion Laboratory，JPL）Dan Coe等人利 用HST的先进巡天相机（ Advanced Camera for Surveys，ACS）观测Abell 1689星系团。这个位在室女 座方向的星系团质量非常庞大，距离地球约22亿光年，含有约1000多个星系成员。据了解，Abell 1689 的强大重力应来自不可见的暗物质，使得Abell 1689成为超级透镜，能弯曲并放大更遥远的背景星系所 发出的光，即所谓的重力透镜（gravitational lensing）效应，而在Abell 1689周围形成数道扭曲的背 景星系影像。经由研究这些扭曲的影像，天文学家可以估计星系团中的暗物质含量。如果星系团的重力 仅来自可见的星系，则这样的重力透镜效应会微弱得多。目前已知这些背景星系的距离大都在70-120亿 光年左右。

　　研究结果显示：与其他数个已经过详细研究的星系团一样，Abell 1689星系团的核心区相当密集， 而且以Abell 1689星系团整体大小而言，其核心区暗物质的密度比Coe等人以电脑模拟的星系团结构结果 还大。这让Coe等人相当惊讶，因为宇宙早期的暗能量（dark energy）斥力应当会抑制所有星系团成长 。唯一能解释Abell 1689星系团核心密度这么大的理由，就是Abell 1689星系团及其他类似的星系团开 始形成的时间，比目前认知的时间还早数十亿年；换句话说，这些星系团从童年就这么胖，一直胖到成 人阶段。

　　Abell 1689是目前已知重力透镜效应最强的星系团之一，根据Coe等人和先前其他研究的结果，总共 有42个背景星系，受Abell 1689强大重力影响而在其周围形成135个重力透镜影像。Coe等人首度利用所 有背景星系分布位置直接估算整个星系团的质量分布状况，再从之获得星系团中的暗物质分布情形。

　　Coe等人打算研究更多星系团以便确定暗能量的影响程度。目前有个HST主要计画「星系团重力透镜 与超新星巡天（Cluster Lensing and Supernova survey with Hubble，CLASH）」是希望在未来3年内 ，研究分析25个巨大星系团中的暗物质状况；这25个星系团都含有非常强的X射线辐射，表示它们拥有大 量炽热气体，也意味着这些星系团质量非常庞大。

暗物质环

天文学家们说，通过50亿年前正在撞击的两个星系团，发现了迄今为止最为强有力的证据，证实了暗物质的存在。他们所发现的东西象是巨大的暗物质环，直径足有260万光年。
 

什么是暗物质（Dark matter）？

        科学家的解释是：在整个宇宙的物质大部分是看不见的，这种看不见的东西是所谓的'暗物质'

（scientists then conclude that most of the matter in the entire Universe is invisible.......
This invisible stuff is called ' dark matter 。）http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/science/know_l1/dark_matter.html

在宇宙学中，暗物质(又称暗质)，是指无法通过电磁波的观测进行研究，换言之，不与电磁力产生作用的物质。人们目前只能通过重力产生的效应得知，或说发现，宇宙中有大量暗物质的存在。

现代天文学通过重力透镜、宇宙中大尺度结构的形成、微波背景辐射等研究表明：我们目前所认知的部分，即重子(加上电子)，大致占宇宙的4％，而暗物质则占了宇宙的23%，还有73%是一种导致宇宙加速膨胀的暗能量。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。

子弹状星系团

子弹状星系团中发生的碰撞也从某种程度上显示出暗物质的分离，但那是从侧面观察到的同类情况。加州理工学院的天文学家理查德·马西博士指出，现在转变90°视角再度进行观测非常有意义。他说：“如果真是这么回事，那确实太令人激动了！”原因之一就是，如果有一个清晰的实例能够证明暗物质从何处与我们认为的普通物质分开，那就使我们有可能单独地对暗物质进行研究，进而有可能为研究这种高深莫测的物质到底是什么提供重要的线索。

暗物质存在的证据

最早提出证据并推断暗物质存在的是1930年代荷兰科学家Jan Oort与美国加州工学院的瑞士天文学家弗里茨·兹威基[1]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[2][3]。

2006年，美国天文学家利用钱德拉X射线望远镜对星系团1E 0657-56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[4]。

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[5]。

宇宙中有暗物质，但不能被“看”到。

天文学家首次发现宇宙暗物质存在的证据

暗物质的组成及理论模型

星系转动曲线、引力透镜、结构形成、星系团中重子成分和结合星系团丰度与重子密度证据表明了宇宙中85-90%的质量不带有电磁相互作用。这些暗物质只通过引力作用而显现它们的存在。以下是人们提出的一些不同类型的暗物质：

热暗物质

温暗物质

冷暗物质

重子暗物质

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我们周围，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（Axion）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。

暗物质的探测

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，背景信号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器(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。

参看

en:Scalar Field Dark Matter

en:SIMP

en:Light Dark Matter

en:Self-interacting dark matter

en:Mirror matter

暗能量

中微子

参考文献

1.^ 暗物质如脚手架 撑起宇宙星系

2.^ 暗物质研究的曙光

3.^ 关于暗物质我们究竟知道些什么

4.^ Clowe D, Bradac M; Gonzalez A H et al. A direct empirical proof of the existence of dark matter (PDF). Astrophys J Lett. 2006 (648): L109-L113 [2007-06-25].

5.^ Galaxy without dark matter puzzles astronomers. NewScientist.com. 06 February 2008 [2008-02-07].