关于暗物质的那些知识点：它或许是宇宙“真正主宰”

美国圣母大学费米国立加速器实验实验室资深科学家唐-林肯解释了暗物质的真实面目。

　　北京时间7月24日消息，据国外媒体报道，许多科学专家认为，宇宙不仅仅是由数十亿个星系构成，同时还存在大量叫做暗物质的无形物质。这种奇特物质被认为是一种新类型亚原子微粒，它不会通过电磁进行交互作用，也不会产生较强或者较弱的核力。同时，暗物质质量被认为是宇宙普遍存在原子质量的5倍。
　　然而，事实上暗物质的存在还未被完全证实。暗物质仍是一个假说，尽管它是一个支持率较高的概念。任何科学理论都必须进行预测，如果它是正确的，那么你所做的测量应当与预测相一致，暗物质也是一样的。但是迄今为止，在低质量星系中心暗物质分布的详细状况的测量与之前的预测并不相符。
　　近期，一项研究计算改变了这一点，该计算模型有助于解决“塔利·费舍尔关系”难题，它将星系中可见或者普通物质与它的旋转速度进行对比，在非常简化的条件下，科学家发现一个螺旋星系质量越大（越明亮），旋转速度就更快。
　　但是如果暗物质存在，一个星系“质量大小”不仅由其可见物质而定，而且还受到它所包含的暗物质的影响。如果作为较大部分的暗物质出现缺失，“塔利·费舍尔关系”则不应当成立。迄今为止，很难想像任何方法能协调这种关系和现有暗物质理论。
　　暗物质起源
　　暗物质可能存在的第一个暗示性发现可追溯至1932年，荷兰天文学家简·奥尔特（Jan Oort）测量了银河系内恒星的轨道开放模式，并发现它们运行速度太快，无法通过观测银河系质量进行解释。
　　然而近半个世纪之后天文学家才开始认真搜寻暗物质，上世纪70年代，天文学家维拉·鲁宾（Vera Rubin）和仪器制造商肯特·福特（Kent Ford）依据恒星与星系中心的距离，测量了附近星系的自转速率，他们将测量结果与标准牛顿引力理论进行了对比分析。
　　恒星以接近圆形路径环绕主星系运行，而引力是保持恒星处于轨道位置的作用力。牛顿第二定律预测该作用力使这颗恒星在圆形轨迹中移动，F（圆形轨道作用力）应当等于恒星的引力作用，如果没有F（引力作用力），恒星将偏离进入太空轨道，或者进入银河系中心。对于记得高中物理知识的人们来看，F（圆形轨道作用力）是一种惯性的表述，仅是牛顿第二定律F = ma，F（引力作用力）是牛顿万有引力定律。
　　在接近银河系中心的位置，鲁宾和福特发现F（圆形轨道作用力）大致上与F（引力作用力）相等，但远离银河系中心的区域，F = ma的匹配性不是很好，虽然星系之间详细状况有所差异，但是它们的观测结果基本上一致。
　　像这样明显的差异性需要进行解释，接近星系中心的区域，罗宾和福特的测量数据意味着该理论有效，而较大轨道距离的差异性意味着现有理论无法解释一些现象。他们的观测结果表明，要么我们不理解惯性如何运行（例如：F（圆形轨道作用力）），或者我们不理解引力是如何工作的（例如：F（引力作用力））。第三种可能性是牛顿第二定律等式是错误的，意味着还有其它的作用力或者影响并未计算在内，这是唯一的可能性。
　　解释差异性
　　自40年前鲁宾和福特开始搜寻暗物质以来，目前科学家已测试了许多理论，用于解释他们发现的星系自转差异。物理学家莫德采·米尔格诺姆（Mordehai Milgrom）提议了一项惯性修改，叫做“改良后牛顿力学”。在其最初阶段中，它假设在非常低的加速度下运行，牛顿第二定律F = ma无效。
　　其他物理学家提议对万有引力定律进行修改，爱因斯坦的广义相对论在这里是无效的，因为在这个领域中，爱因斯坦和牛顿的预测基本上是一样的。而量子引力理论，则是试图用亚原子粒子描述引力，同样不能进行解释。然而，还有一些引力理论使银河系或者银河系之外的预测不同于牛顿万有引力定律，它们可以作为选择性理论。
　　曾有科学家预测称，存在新的作用力，这些观点理论认为存在着“第五作用力”，意味着一种神秘力量超越了引力、电磁场和或强或弱的核力。最终科学家指向了暗物质理论，认为这是一种根本不与光发生反应的宇宙物质，却具有引力牵引，弥漫分布在整个宇宙之中。
　　当前银河系旋转测量是我们唯一获得的数据，在这些不同理论中，它可能很难进行选择。毕竟可能调整每个理论，能够解决银河系自转问题，但是当前有许多不同现象的观测将有助于确定最合理的理论。
　　一个是较大星系簇中星系的速度，对于星系簇而言，星系移动速度太快，它们无法聚集在一起。另一个观测是非常遥远星系的光线，观测非常遥远的远古星系，结果显示光线穿过邻近星系团的引力场时而被扭曲。同时，他们研究发现宇宙微波背景的微小非均匀性特征，这是宇宙“诞生哭声”。所有这些测量值（以及更多的）必须通过新的理论来解释星系旋转速度。
　　关于暗物质未解答的问题
　　暗物质理论在预测许多测量值方面效果很好，这就是为什么该理论在科学界被普遍认可的原因。但是暗物质仍是一个未经证实的模式，迄今所有暗物质存在的证据都是非直接的。如果暗物质存在，当它穿过地球时，我们应当直接观测暗物质的交互作用，同时，我们可以在较大的粒子加速器中制造暗物质，像大型强子对撞机。然而这两种方法都没有成功。
　　此外，暗物质应当与所有的、而不仅仅是许多天文观测一致。虽然暗物质是迄今为止最成功的模型，但它并不是完全成功的。暗物质模型预测大量矮卫星星系环绕像银河系这样的大型星系，其数量将比现已发现的数量更多。虽然现已发现大量的矮星系，但它们数量非常少，无法与暗物质预测数值进行对比。
　　另一个重要的公开问题是暗物质如何影响星系亮度和旋转速度之间的关系，这种关系首次于1977年提出，叫做“塔利·费舍尔关系”，它已多次证明，一个星系的可见质量与它的旋转速度密切相关。
　　对于暗物质的严峻挑战
　　对于暗物质模型而言，塔利·费舍尔关系是一个严峻的挑战，一个星系的旋转受它所包含的物质总量控制。如果暗物质真实存在，那么宇宙物质的总质量就是普通物质和暗物质的总和。
　　但是现今暗物质理论预测称，任意星系都可能包含较大部分或者较小部分的暗物质，因此当人们发现宇宙可见物质时，你可能错过发现占较大部分的暗物质。可见质量只能预测星系总质量的一小部分，星系的质量可能与普通的可见物质质量相似，也可能大得多。
　　因此，这里没有理由认为可见质量应当很好地预测星系的旋转速度。事实上，今年一份研究报告表明，暗物质怀疑论者使用不同星系塔利·费舍尔关系的测量数据，来反驳暗物质假说，以及修正后的惯性理论。
　　更适当于暗物质
　　然而，今年6月份发表的一篇论文中，科学家运行的暗物质模型对于科学研究具有巨大推动性。这项新模拟不仅再现了暗物质模型成功的早期预测，还验证了塔利·费舍尔关系。
　　这项最新研究报告是“半解析”模型，它是分析方程和仿真模拟的结合，它模拟了早期宇宙的暗物质簇，它们可能播种星系形成种子，但也包括普通物质交互反应，例如：受引力牵引，普通物质进入另一个天体，通过恒星光线和超新星加热汇入气体。通过认真调整参数，研究人员能够更好地匹配预期的塔利·费舍尔关系，这种计算的关键在于预测自转速度，其中包括：星系中高能重子至暗物质比率的真实数值。
　　这个最新计算是验证暗物质模型的重要额外步骤，然而，这并不是最终的结果。任何成功的理论应当与所有测量数据一致，如果不一致，就意味着理论或者数据是错误的，或者至少不完整。预测和测量值之间仍存在一些差异（例如：一些小型卫星星系环绕较大的星系），但是这项最新研究报告让我们相信，未来工作将解决这些差异性。
　　暗物质能够较好地预测宇宙结构理论，它并不完整，它需要通过发现实际的暗物质粒子进行验证。所有当前仍有一些工作需要做。但是最新计算是重要的环节，便于我们知晓宇宙是否由暗物质主宰。（叶倾城）