暗物质到底是什么元素构成的？ 暗物质到底是什么东西
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【Jeremiah P. Ostriker和Paul Steinhardt 著 Shea 译】几十年前，暗物质(dark matter)刚被提出来时仅仅是理论的产物，但是现在我们知道暗物质已经成为了宇宙的重要组成部分。暗物质的总质量是普通物质的6倍，在宇宙能量密度中占了1/4，同时更重要的是，暗物质主导了宇宙结构的形成。暗物质的本质现在还是个谜，但是如果假设它是一种弱相互作用亚原子粒子的话，那么由此形成的宇宙大尺度结构与观测相一致。不过，最近对星系以及亚星系结构的分析显示，这一假设和观测结果之间存在着差异，这同时为多种可能的暗物质理论提供了用武之地。通过对小尺度结构密度、分布、演化以及其环境的研究可以区分这些潜在的暗物质模型，为暗物质本性的研究带来新的曙光。大约65年前，第一次发现了暗物质存在的证据。当时，弗里兹·扎维奇（Fritz Zwicky）发现，大型星系团中的星系具有极高的运动速度，除非星系团的质量是根据其中恒星数量计算所得到的值的100倍以上，否则星系团根本无法束缚住这些星系。之后几十年的观测分析证实了这一点。尽管对暗物质的性质仍然一无所知，但是到了80年代，占宇宙能量密度大约20%的暗物质以被广为接受了。
暗能量和暗物质的唯一共同点是它们既不发光也不吸收光。从微观上讲，它们的组成是完全不同的。更重要的是，像普通的物质一样，暗物质是引力自吸引的，而且与普通物质成团并形成星系。而暗能量是引力自相斥的，并且在宇宙中几乎均匀的分布。所以，在统计星系的能量时会遗漏暗能量。因此，暗能量可以解释观测到的物质密度和由暴涨理论预言的临界密度之间70-80%的差异。之后，两个独立的天文学家小组通过对超新星的观测发现，宇宙正在加速膨胀。由此，暗能量占主导的宇宙模型成为了一个和谐的宇宙模型。最近威尔金森宇宙微波背景辐射各向异性探测器（Wilkinson Microwave Anisotrope Probe，WMAP）的观测也独立的证实了暗能量的存在，并且使它成为了标准模型的一部分。
H2O
暗物质
宙学原理（即在宇宙大尺度上，物质的分布是高度均匀各向同性的）之上的大爆炸宇宙模型告诉我们大约137亿年前，大爆炸发生的那一刻，宇宙处于一个极致密、极高温的状态，形成了空间和时间，宇宙随之诞生，并经过膨胀、冷却演化至今。在这个过程中，宇宙经历了原初轻元素合成、光子退耦和中性原子形成、第一代恒星形成等几个重要的时期，星系、地球、空气、水和生命便在这个不断膨胀的时空里逐渐形成
宇宙中的物质并不都是发光的，有许多物质我们观测不到，这就影响了我们测定目前宇宙中物质密度的准确性。天文学家从动力学推算出的宇宙质量与从星系光度方法推算出的宇宙质量之比大约为九比一，也就是说，宇宙中大约存在着十分之九的暗物质，这就意味着，构成动植物赖以生存的光彩夺目的太阳，只不过是由占宇宙质量不到十分之一的次要成份构成。
目前观测到的可视物质密度的数量级约为10-31克/厘米，它不到宇宙临界密度的5％（目前估算的的数量级为10-29克/厘米），如果把上述暗物质也算进去，那么就可得出宇宙中实际的物质平均密度。因为科学家一旦知道了宇宙的真实密度，就可以根据弗来德曼的理论知道我们宇宙的未来趋向：一直膨胀下去还是在进行着一种“膨胀—收缩—膨胀”的脉动循环。因此解决宇宙中的“暗物质”问题，是决定宇宙未来“前途”的大事。那么，宇宙中看不见的暗物质到底是些什么东西呢？它们丢失到哪里去了？这就是天文物理学中著名的“暗物质问题”或“失踪的宇宙质量问题”。
早在本世纪30年代，荷兰天体物理学家奥尔特就已指出：为了说明恒星的运动，需要假定在太阳附近存在着看不见的暗物质。1933年，茨维基从室女星系团诸星系的运动情况认定，在星系团中存在着大量的暗物质。奥尔特等天文学家认为，太阳附近和银道面内的暗物质可能是一般光学望远镜观测不到的极暗弱的褐矮星或质量为木星30～80倍的大行星。美国天文学家巴柯的理论分析表明，在太阳附近，存在着与发光物质几乎同等数量的看不见的物质。在大视场望远镜所拍摄的天空照片上已发现了暗于14星等、不到半个太阳质量的M型矮星。由于太阳位于银河系中心平面的附近，故从探测到的M型矮星的数目推算，它们大概能提供银河系应有失踪质量的一半。每一颗M型星最多只能发光几万年，故一些人认为银河系中一定存在着许许多多这类小恒星“燃烧”后的“尸体”，它们可能就是我们要寻找的暗物质。
后来，有人提出星系的暗包层是弥漫的气体。暗物质就是由这些弥漫的气体贡献的。星际空间，确实发现很多弥漫的气体，例如很多恒星周围被炽热的气体包裹着。然而，射电观测证明，星系引力不可能把质量比本身还要大得多的“暗物质”气体束缚着。经简单估算，星系的暗包层气体不会很多，最多为星系质量的10%。
有人又提出暗物质可能是由固体尘埃组成。星系团中心是星系簇集的地方，如果每个星系外围都有质量比星系本身还要大的尘埃晕，那么尘埃对星系团中心的星系会产生很大的消光效应，从而引起星光昏暗，这样观察到的星系团中心区将反而比它的外围暗。然而，这与观察结果相矛盾，因而这个假设也难以立足。
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