暗物质是真实的吗？天文学的数十年秘密

暗物质假说的关键问题是没有人知道暗物质可能采取什么形式。

HARD SCIENCE — AUGUST 13, 2022

Don Lincoln

Credit: generalfmv / Adobe Stock

关键要点

     尽管天体物理学和天文学中最近的进展，但科学家们仍然不确切了解星系怎样能存在。

 对这个观测难题最常见的解释是一种迄今为止没有被发现的物质形式：暗物质。 

尽管如此，暗物质还没有被科学家直接观察到过。

现代天文学正处于有点动荡之中。天文学家了解恒星怎样形成、燃烧和死亡，他们正在改进他们的行星怎样组装它们自己成像我们自己的行星系统的理解。

但天文学家有一个问题：他们不理解星系怎样能存在------一个在几十年的研究后已经仍未被解决的问题。

问题是相对的简单。星系是被引力把持在一起的恒星的集合。像我们的太阳系一样，它们旋转，恒星以庄严的路径行进，环绕星系中心。在任何距星系中心的固定距离上，恒星移动更快需要更强的引力来保持它们在轨道中。当天文学家测量在距中心一定距离范围内星系中恒星的环绕速度时，他们发现恒星正在运动如此之快以至于星系应该被撕裂开。

对这个观测难题最常见的解释是一种迄今为止没有被发现的物质形式：暗物质。如果它存在，暗物质施加引力，但它不发射光或任何形式的电磁辐射。这意味着它不能被望远镜或任何天文学家用来观察宇宙的仪器看到。 然而，这种看不见的暗物质会添加到任何星系的引力拉力上，解释为什么恒星环绕星系如此之快。

暗物质假说有的问题是没有人知道暗物质采取什么形式。当瑞士裔美国天文学家弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）回到1933年首次提出这个术语时，额外的质量只是氢气云是可能的。星际氢气对望远镜大体上是看不见的。然而，随技术已经改进，天文学家发现了来测量星系中氢气量的方法，虽然在那里有很多的它，但没有足够的来解释星系旋转秘密。

已经被提出的其他解释包括像烧掉的恒星、黑洞和其他被知道存在于星系内但不发射光的天体。 然而，天文学家在1990年代搜索了这样的大质量紧凑晕天体（叫MACHOs，是（MAssive Compact Halo Objects）的缩写，再一次，虽然他们发现了大质量紧凑晕天体的例子，但不足以来解释恒星在星系中的运动。

弱交互作用大质量粒子（WIMPs）

有一些更简单的解释被排除，科学家们开始来认为可能暗物质为一种“气体”或从未见过的粒子存在。这些粒子通常被称为“弱相互作用大质量粒子”， 缩写为“WIMP”。 弱相互作用大质量粒子如果它们存在，基本上是稳定的亚原子粒子，有一个在一个质子的质量到高达10000个质子范围内的质量，甚至更多。

像所有暗物质粒子候选一样，弱相互作用大质量粒子引力上相互作用，但名称中的“弱（W）”意味着它们也经由弱核力相互作用。弱核力以某些放射性形式被涉及。比引力远更强，但不像引力的无限范围，弱核力只在微小的距离上起作用------距离比一个质子远更小。如果弱相互作用大质量粒子存在，它们弥漫星系，包括我们的银河系，甚至我们自己的太阳系。根据弱相互作用大质量粒子的质量，天文学家估计，如果你握拳一个暗物质粒子可以被发现在它之内。

几十年来科学家们一直在寻找弱相互作用大质量粒子存在的直接和令人信服的证据。他们以多种方式做这个。例如，一些弱相互作用大质量粒子理论提出弱相互作用大质量粒子能被在粒子加速器中制造，例如欧洲的大型强子对撞机。粒子物理学家观察他们的数据，希望看到弱相互作用大质量粒子生产的签名。迄今已经没有观察到任何证据。

其中研究人员寻找弱相互作用大质量粒子的另一种方法是直接观察飘荡过太阳系的暗物质粒子。科学家建造了非常大的探测器并将它们冷却到非常冷的温度以便探测器的原子正在缓慢的移动。 然后，他们将这些探测器放在地下半英里或更远的地方来屏蔽它们免受来自太空的辐射。然后他们等待，希望一个暗物质粒子将在他们的探测器中相互作用，扰乱几乎静止的原子的一个。

但尽管几十年的努力，已经没有观察到弱相互作用大质量粒子。1980年代的预测提出研究人员可以期望以特定的速率来探测弱相互作用大质量粒子。当没有探测到弱相互作用大质量粒子时，研究人员建造了一系列灵敏度远更高的探测器，所有这些都不能发现弱相互作用大质量粒子。目前的探测器比1980年代的探测器灵敏度更高1亿倍，并且没有弱相互作用大质量粒子已经发生过的明确的观测，包括一个非常最近的由LZ实验的，该实验采用10吨氙来取得对弱相互作用大质量粒子无与伦比的灵敏度。.

展望未来

在几十年不能来探测暗物质后，科学界正在重新审视这种情况。什么是确定知道的？除此之外，天文学家确信星系比用已知的运动和引力定律以及观察到的物质量能说明的更快旋转。暗物质假说是对一种物质缺陷的一个解决方案，但也许它不是答案。也许实际的解释是运动的定律和引力定律需要被重新审视。

 这种一种方法的名子叫修正的牛顿动力学（MOND），是“MOdifications of Newtonian Dynamics”的缩写。第一个这样的解决方案在1980年代被以色列物理学家毛德海米尔格罗姆（Mordehai Milgrom）提出。他提出了对于我们每天体验的熟悉的运动，运动定律被艾萨克·牛顿（Isaac Newton）回到1600年代计算出来起作用刚好。但对非常小的力和非常小的加速度（比如在星系的周边），这些定律需要被调整。在做出这些调整后，他可以正确的预测星系的旋转。

虽然这样一个成就可能被视为一个响亮的成功，但他改变了方程来匹配观测到的星系的旋转属性。这不是一个理论的成功检验。在他创建方程式之前他知道了答案。 

为了验证米尔格罗姆的理论，研究人员需要比较它在其他情况中的预测，例如将它应用于被它们的相互引力吸引把保持在一起的大型星系团的运动。修正的牛顿动力学理论挣扎来做出一个与这种理论一致的预测，它也与其他观察不一致。

如此，我们在哪里？我们正处于一个科学难题的令人愉快的阶段中------一个仍在寻求一个解决办法的秘密。虽然大多数科学界都站在暗物质一边，但不能来证明暗物质的存在正在导致一些人来远更严肃的观察修改公认的引力和运动理论的理论。

如果暗物质存在，它比普通原子物质更普遍五倍。如果正确的答案是我们需要重新审视我们的运动和引力定律，这对我们的宇宙历史的建模有重大后果。LZ实验继续运行，希望改进它的已经令人印象深刻的性能，研究人员正在建造新的探测器，希望发现暗物质并最终解决这个秘密。

https://bigthink.com/hard-science/dark-matter-explainer/