科學家稱暗物質未來兩年有望徹底現身

暗物質

　　暗物質 Dark Matter 　　什麼是暗物質？暗物質(包括暗能量)被認為是宇宙研究中最具挑戰性的課題，它代表了宇宙中90%以上的物質含量，而我們可以看到的物質只佔宇宙總物質量的10%不到(約5％左右)。暗物質無法直接觀測得到，但它卻能干擾星體發出的光波或引力，其存在能被明顯地感受到。科學家曾對暗物質的特性提出了多種假設，但直到目前還沒有得到充分的證明。 　　幾十年前，暗物質(dark matter)剛被提出來時僅僅是理論的產物，但是現在我們知道暗物質已經成為了宇宙的重要組成部分。暗物質的總質量是普通物質的6.3倍，在宇宙能量密度中佔了1/4，同時更重要的是，暗物質主導了宇宙結構的形成。暗物質的本質現在還是個謎，但是如果假設它是一種弱相互作用亞原子粒子的話，那麼由此形成的宇宙大尺度結構與觀測相一致。不過，最近對星系以及亞星繫結構的分析顯示，這一假設和觀測結果之間存在著差異，這同時為多種可能的暗物質理論提供了用武之地。通過對小尺度結構密度、分布、演化以及其環境的研究可以區分這些潛在的暗物質模型，為暗物質本性的研究帶來新的曙光。 　　大約65年前，第一次發現了暗物質存在的證據。當時，弗里茲·扎維奇發現，大型星系團中的星系具有極高的運動速度，除非星系團的質量是根據其中恆星數量計算所得到的值的100倍以上，否則星系團根本無法束縛住這些星系。之後幾十年的觀測分析證實了這一點。儘管對暗物質的性質仍然一無所知，但是到了80年代，占宇宙能量密度大約20%的暗物質以被廣為接受了。 　　在引入宇宙膨脹理論之後，許多宇宙學家相信我們的宇宙是平直的，而且宇宙總能量密度必定是等於臨界值的（這一臨界值用於區分宇宙是封閉的還是開放的）。與此同時，宇宙學家們也傾向於一個簡單的宇宙，其中能量密度都以物質的形式出現，包括4%的普通物質和96%的暗物質。但事實上，觀測從來就沒有與此相符合過。雖然在總物質密度的估計上存在著比較大的誤差，但是這一誤差還沒有大到使物質的總量達到臨界值，而且這一觀測和理論模型之間的不一致也隨著時間變得越來越尖銳。 　　當意識到沒有足夠的物質能來解釋宇宙的結構及其特性時，暗能量出現了。暗能量和暗物質的唯一共同點是它們既不發光也不吸收光。從微觀上講，它們的組成是完全不同的。更重要的是，像普通的物質一樣，暗物質是引力自吸引的，而且與普通物質成團並形成星系。而暗能量是引力自相斥的，並且在宇宙中幾乎均勻的分布。所以，在統計星系的能量時會遺漏暗能量。因此，暗能量可以解釋觀測到的物質密度和由暴漲理論預言的臨界密度之間70-80%的差異。之後，兩個獨立的天文學家小組通過對超新星的觀測發現，宇宙正在加速膨脹。由此，暗能量佔主導的宇宙模型成為了一個和諧的宇宙模型。最近威爾金森宇宙微波背景輻射各向異性探測器（Wilkinson Microwave Anisotrope Probe，WMAP）的觀測也獨立的證實了暗能量的存在，並且使它成為了標準模型的一部分。 　　暗能量同時也改變了我們對暗物質在宇宙中所起作用的認識。按照愛因斯坦的廣義相對論，在一個僅含有物質的宇宙中，物質密度決定了宇宙的幾何，以及宇宙的過去和未來。加上暗能量的話，情況就完全不同了。首先，總能量密度（物質能量密度與暗能量密度之和）決定著宇宙的幾何特性。其次，宇宙已經從物質佔主導的時期過渡到了暗能量佔主導的時期。大約在「大爆炸」之後的幾十億年中暗物質佔了總能量密度的主導地位，但是這已成為了過去。現在我們宇宙的未來將由暗能量的特性所決定，它目前正時宇宙加速膨脹，而且除非暗能量會隨時間衰減或者改變狀態，否則這種加速膨脹態勢將持續下去。 　　不過，我們忽略了極為重要的一點，那就是正是暗物質促成了宇宙結構的形成，如果沒有暗物質就不會形成星系、恆星和行星，也就更談不上今天的人類了。宇宙儘管在極大的尺度上表現出均勻和各向同性，但是在小一些的尺度上則存在著恆星、星系、星系團、巨洞以及星系長城。而在大尺度上能過促使物質運動的力就只有引力了。但是均勻分布的物質不會產生引力，因此今天所有的宇宙結構必然源自於宇宙極早期物質分布的微小漲落，而這些漲落會在宇宙微波背景輻射（CMB）中留下痕迹。然而普通物質不可能通過其自身的漲落形成實質上的結構而又不在宇宙微波背景輻射中留下痕迹，因為那時普通物質還沒有從輻射中脫耦出來。 　　另一方面，不與輻射耦合的暗物質，其微小的漲落在普通物質脫耦之前就放大了許多倍。在普通物質脫耦之後，已經成團的暗物質就開始吸引普通物質，進而形成了我們現在觀測到的結構。因此這需要一個初始的漲落，但是它的振幅非常非常的小。這裡需要的物質就是冷暗物質，由於它是無熱運動的非相對論性粒子因此得名。 　　在開始闡述這一模型的有效性之前，必須先交待一下其中最後一件重要的事情。對於先前提到的小擾動（漲落），為了預言其在不同波長上的引力效應，小擾動譜必須具有特殊的形態。為此，最初的密度漲落應該是標度無關的。也就是說，如果我們把能量分布分解成一系列不同波長的正弦波之和，那麼所有正弦波的振幅都應該是相同的。暴漲理論的成功之處就在於它提供了很好的動力學出發機制來形成這樣一個標度無關的小擾動譜（其譜指數n=1）。WMAP的觀測結果證實了這一預言，其觀測到的結果為n=0.99±0.04。 　　但是如果我們不了解暗物質的性質，就不能說我們已經了解了宇宙。現在已經知道了兩種暗物質--中微子和黑洞。但是它們對暗物質總量的貢獻是非常微小的，暗物質中的絕大部分現在還不清楚。這裡我們將討論暗物質可能的候選者，由其導致的結構形成，以及我們如何綜合粒子探測器和天文觀測來揭示暗物質的性質。 [編輯本段] 最被看好的暗物質候選者 　　長久以來，最被看好的暗物質僅僅是假說中的基本暗性粒子，它具有壽命長、溫度低、無碰撞的特殊特性。壽命長意味著它的壽命必須與現今宇宙年齡相當，甚至更長。溫度低意味著在脫耦時它們是非相對論性粒子，只有這樣它們才能在引力作用下迅速成團。由於成團過程發生在比哈勃視界（宇宙年齡與光速的乘積）小的範圍內，而且這一視界相對現在的宇宙而言非常的小，因此最先形成的暗物質團塊或者暗物質暈比銀河系的尺度要小得多，質量也要小得多。隨著宇宙的膨脹和哈勃視界的增大，這些最先形成的小暗物質暈會合併形成較大尺度的結構，而這些較大尺度的結構之後又會合併形成更大尺度的結構。其結果就是形成不同體積和質量的結構體系，定性上這是與觀測相一致的。相反的，對於相對論性粒子，例如中微子，在物質引力成團的時期由於其運動速度過快而無法形成我們觀測到的結構。因此中微子對暗物質質量密度的貢獻是可以忽略的。在太陽中微子實驗中對中微子質量的測量結果也支持了這一點。無碰撞指的是暗物質粒子（與暗物質和普通物質）的相互作用截面在暗物質暈中小的可以忽略不計。這些粒子僅僅依靠引力來束縛住對方，並且在暗物質暈中以一個較寬的軌道偏心律譜無阻礙的作軌道運動。 　　低溫無碰撞暗物質（CCDM）被看好有幾方面的原因。第一，CCDM的結構形成數值模擬結果與觀測相一致。第二，作為一個特殊的亞類，弱相互作用大質量粒子（WIMP）可以很好的解釋其在宇宙中的丰度。如果粒子間相互作用很弱，那麼在宇宙最初的萬億分之一秒它們是處於熱平衡的。之後，由於湮滅它們開始脫離平衡。根據其相互作用截面估計，這些物質的能量密度大約佔了宇宙總能量密度的20-30%。這與觀測相符。CCDM被看好的第三個原因是，在一些理論模型中預言了一些非常有吸引力的候選粒子。 　　其中一個候選者就是中性子（neutralino），一種超對稱模型中提出的粒子。超對稱理論是超引力和超弦理論的基礎，它要求每一個已知的費米子都要有一個伴隨的玻色子（尚未觀測到），同時每一個玻色子也要有一個伴隨的費米子。如果超對稱依然保持到今天，伴隨粒子將都具有相同質量。但是由於在宇宙的早期超對稱出現了自發的破缺，於是今天伴隨粒子的質量也出現了變化。而且，大部分超對稱伴隨粒子是不穩定的，在超對稱出現破缺之後不久就發生了衰變。但是，有一種最輕的伴隨粒子（質量在100GeV的數量級）由於其自身的對稱性避免了衰變的發生。在最簡單模型中，這些粒子是呈電中性且弱相互作用的--是WIMP的理想候選者。如果暗物質是由中性子組成的，那麼當地球穿過太陽附近的暗物質時，地下的探測器就能探測到這些粒子。另外有一點必須注意，這一探測並不能說明暗物質主要就是由WIMP構成的。現在的實驗還無法確定WIMP究竟是佔了暗物質的大部分還是僅僅只佔一小部分。 　　另一個候選者是軸子（axion），一種非常輕的中性粒子（其質量在1μeV的數量級上），它在大統一理論中起了重要的作用。軸子間通過極微小的力相互作用，由此它無法處於熱平衡狀態，因此不能很好的解釋它在宇宙中的丰度。在宇宙中，軸子處於低溫玻色子凝聚狀態，現在已經建造了軸子探測器，探測工作也正在進行。 [編輯本段] CCDM存在的問題 　　由於綜合了CCDM，標準模型在數學上是特殊的，儘管其中的一些參數至今還沒有被精確的測定，但是我們依然可以在不同的尺度上檢驗這一理論。現在，能觀測到的最大尺度是CMB（上千個Mpc）。CMB的觀測顯示了原初的能量和物質分布，同時觀測也顯示這一分布幾近均勻而沒有結構。下一個尺度是星系的分布，從幾個Mpc到近1000個Mpc。在這些尺度上，理論和觀測符合的很好，這也使得天文學家有信心將這一模型拓展到所有的尺度上。 　　然而在小一些的尺度上，從1Mpc到星系的尺度（Kpc），就出現了不一致。幾年前這種不一致性就顯現出來了，而且它的出現直接導致了"現行的理論是否正確"這一至關重要的問題的提出。在很大程度上，理論工作者相信，不一致性更可能是由於我們對暗物質特性假設不當所造成的，而不太可能是標準模型本身固有的問題。首先，對於大尺度結構，引力是佔主導的，因此所有的計算都是基於牛頓和愛因斯坦的引力定律進行的。在小一些的尺度上，高溫高密物質的流體力學作用就必須被包括進去了。其次，在大尺度上的漲落是微小的，而且我們有精確的方法可以對此進行量化和計算。但是在星系的尺度上，普通物質和輻射間的相互作用卻極為複雜。在小尺度上的以下幾個主要問題。亞結構可能並沒有CCDM數值模擬預言的那樣普遍。暗物質暈的數量基本上和它的質量成反比，因此應該能觀測到許多的矮星系以及由小暗物質暈造成的引力透鏡效應，但是目前的觀測結果並沒有證實這一點。而且那些環繞銀河系或者其他星系的暗物質，當它們合併入星系之後會使原先較薄的星系盤變得比現在觀測到得更厚。 　　暗物質暈的密度分布應該在核區出現陡增，也就是說隨著到中心距離的減小，其密度應該急劇升高，但是這與我們觀測到的許多自引力系統的中心區域明顯不符。正如在引力透鏡研究中觀測到的，星系團的核心密度就要低於由大質量暗物質暈模型計算出來的結果。普通旋渦星系其核心區域的暗物質比預期的就更少了，同樣的情況也出現在一些低表面亮度星系中。矮星系，例如銀河系的伴星系玉夫星系和天龍星系，則具有與理論形成鮮明對比的均勻密度中心。流體動力學模擬出來的星系盤其尺度和角動量都小於觀測到的結果。在許多高表面亮度星系中都呈現出旋轉的棒狀結構，如果這一結構是穩定的，就要求其核心的密度要小於預期的值。 　　可以想像，解決這些日益增多的問題將取決於一些複雜的但卻是普通的天體物理過程。一些常規的解釋已經被提出來用以解釋先前提到的結構缺失現象。但是，總體上看，現在的觀測證據顯示，從巨型的星系團（質量大於1015個太陽質量）到最小的矮星系（質量小於109個太陽質量）都存在著理論預言的高密度和觀測到的低密度之間的矛盾。 　　茫茫宇宙中，恆星間相互作用，做著各種各樣的規則的軌道運動，而有些運動我們卻找不著其作用對應的物質。因此，人們設想，在宇宙中也許存著我們看不見的物質。 　　20世紀30年代，荷蘭天體物理學家奧爾特指出：為了說明恆星的運動，需要假定在太陽附近存在著暗物質；同年代，茨維基從室女星系團諸星系的運動的觀測中，也認為在星系團中存在著大量的暗物質；美國天文學家巴柯的理論分析也表明，在太陽附近，存在著與發光物質幾乎同等數量看不見的物質。 　　那麼，太陽附近和銀道面上的暗物質是些什麼東西呢？天文學家認為，它們也許是一般光學望遠鏡觀測不到的極暗弱的褐矮星或質量為木行星30～80倍的大行星。在大視場望遠鏡所拍攝的天空照片上已發現了暗於14星等，不到半個太陽質量的M型矮星。由於太陽位於銀河系中心平面的附近，從探測到的M型矮星的數目可推算出，它們大概能提供銀河系應有失蹤質量的另一半。且每一顆M型星發光，最多只能有幾萬年。所以人們認為銀河系中一定存在著許許多多的這些小恆星「燃燒」後的「屍體」，足以提供理論計算所需的全部暗物質。 　　觀測結果和理論分析均表明漩渦星系外圍存在著大質量的暗暈。那麼，暗暈中含有哪些看不見的物質呢？英國天文學家裡斯認為可能有三種候選者：第一種就是上面所述的小質量恆星或大行星；第二種是很早以前由超大質量恆星坍縮而成的200萬倍太陽質量左右的大質量黑洞；第三種是奇異粒子，如質量可能為20～49電子伏且與電子有聯繫的中微子，質量為105電子伏的軸子或目前科學家所贊成的各種大統一理論所允許和需求的粒子。 　　歐洲核子研究中心的粒子物理學家伊里斯認為，星系暈及星系團中最佳的暗物質候選者是超對稱理論所要求的S粒子。這種理論認為：每個已知粒子的基本粒子（如光子）必定存在著與其配對的粒子（如具有一定質量的光微子）。伊里斯推薦四種最佳暗物質候選者：光微子、希格斯微子、中微子和引力粒子。科學家還認為，這些粒子也是星系團之間廣大宇宙空間中的冷的暗物質候選者。 　　到現在，已有不少天文學家認為，宇宙中90％以上的物質是以「暗物質」的方式隱藏著。但暗物質到底是些什麼東西至今還是一個謎，還待於人們去進一步探索。 　　2006年1月6日報道，劍橋大學天文研究所的科學家們在歷史上第一次成功確定了廣泛分布在宇宙間的暗物質的部分物理性質。目前，從事此項研究的科學家們正準備在最近幾周內將此項研究結果公開發表。 　　天文學家們稱，根據當前一些統計資料顯示，我們平常看不見的暗物質很可能佔有宇宙所有物質總量的95%。 　　在本次這項研究中，科學家們藉助強功率天文望遠鏡(包括架設在智利的甚大天文望遠鏡VLT --Very Large Telescope)對距離銀河系不遠的矮星系進行了共達23夜的研究，此後科學家們還通過約7000餘次的計算得出結論稱：在他們所觀測的這些矮星系中，暗物質的含量是其它普通物質的400多倍。此外，這些矮星系中物質粒子的運動速度可達每秒9公里，其溫度可達10000攝氏度。 　　同時科學家們還觀測到，暗物質與其它普通物質還有著巨大的差異，如：儘管觀測目標的溫度是如此之高，但是這樣的高溫卻不會產生任何輻射。據領導此項研究的傑里-吉爾摩教授認為，暗物質微粒很有可能不是由質子和中子構成的。然而在此之前科學家們曾一貫認為，暗物質應該是由一些「冷」粒子構成的，這些粒子的運動速度也不會太高。 　　暗物質研究專家們還表示，宇宙間最小的連續存在的暗物質片段大小也有1000光年，這樣的暗物質片段質量約是太陽的30多倍。科學家們還在此次研究中確定出了暗物質微粒分布的密度，譬如，在地球上每立方厘米的空間如果能夠容納1023個物質粒子，那麼對於暗物質來說這麼大的空間只能容納約三分之一的微粒。 　　早在30年代，瑞士科學家弗里茲-茨維基就設想宇宙間存在著某種不為人所知的暗物質。他還指出，星系群中的發光物質如果只依靠自身的引力將各個星系保持聯接在一起，那麼它們的量就必須要再增加10倍。而用來彌補這個空缺的就是看不見的重力物質，即我們今天所說的暗物質。儘管暗物質在宇宙間的儲藏量比其它普通物質高出許多，但有關暗物質的性質目前科學家們尚不能給予完整的表述。 　　2007年1月，暗物質分布圖終於誕生了！經過4年的努力，70位研究人員繪製出這幅三維的「藍圖」，勾勒出相當於從地球上看，8個月亮並排所覆蓋的天空範圍中暗物質的輪廓。他們使出了什麼好手段化隱形為有形的呢？那可全虧了一項了不起的技術：引力透鏡。 　　更妙的是這張分布圖帶給我們的信息。首先我們看到，暗物質並不是無所不在，它們只在某些地方聚集成團狀，而對另一些地方卻不屑一顧。其次，將星系的圖片與之重疊，我們看到星系與暗物質的位置基本吻合。有暗物質的地方，就有恆星和星系，沒有暗物質的地方，就什麼都沒有。暗物質似乎相當於一個隱形的、但必不可少的背景，星系(包括銀河系)在其中移動。分布圖還為我們提供了一次真正的時光旅行的機會……分布圖中越遠的地方，離我們也越遠。不過，背景中恆星所發出的光不是我們瞬間就能看到的，即使光速(每秒30萬公里)堪稱極致，那也需要一定的時間。因為這段距離得用光年來計算，1光年相當於10萬億公里。 　　因此，如果你往遠處看，比如距離我們20億光年的地方，那你所看到的東西是20億年前的樣子而不是現在的樣子。就好像是回到了過去！明白了嗎？好，現在回到分布圖上，我們看到的是暗物質在25億～75億年前的樣子。 　　那麼在這個異常遙遠的年代，暗物質看上去是什麼樣子的呢？好像一碗麵糊。而離我們越近，暗物質就越是聚集在一起，像一個個的麵包丁。這張神奇的分布圖顯示，暗物質的形態隨著時間而發生著變化。更重要的是，這一分布圖為我們了解暗物質的現狀提供了一條線索。馬賽天文物理實驗室的讓-保羅·克乃伯(Jean-Paul Kneib)參加了這張分布圖的繪製工作，他認為這種「麵包丁」的形狀自25億年以來就沒有很大改變，所以我們看到的也就是暗物質現在的形狀。 　　那我們也在其中嗎？把所有的數據綜合起來再加上研究人員們的推測就可以在這鍋宇宙濃湯中找到我們自己的歷史。是的，是的……你可以把初生的宇宙設想成一個盛湯的大碗，湯里含有暗物質和普通物質……在這個碗里出現了兩種相抗的現象：一方面是膨脹，試圖把碗撐大；另一方面是引力，促使物質凝聚成塊。結果，宇宙中的某些地方沒有任何暗物質和可見物質，而它們在另外一些地方卻異常密集：暗物質聚集在一起，星系則掛靠在暗物質上，就像掛在鉤子上的畫。但可惜的是，我們對暗物質究竟是什麼還是一無所知…… [編輯本段] 暗物質和暗能量是世紀謎題 　　21世紀初科學最大的謎是暗物質和暗能量。它們的存在，向全世界年輕的科學家提出了挑戰。 暗物質存在於人類已知的物質之外，人們目前知道它的存在，但不知道它是什麼，它的構成也和人類已知的物質不同。在宇宙中，暗物質的能量是人類已知物質的能量的5倍以上。 　　暗能量更是奇怪，以人類已知的核反應為例，反應前後的物質有少量的質量差，這個差異轉化成了巨大的能量。暗能量卻可以使物質的質量全部消失，完全轉化為能量。宇宙中的暗能量是已知物質能量的14倍以上。 　　宇宙之外可能有很多宇宙 　　圍繞暗物質和暗能量，李政道闡述了他最近發表文章探討的觀點。他提出「天外有天」，指出「因為暗能量，我們的宇宙之外可能有很多的宇宙」，「我們的宇宙在加速地膨脹」且「核能也許可以和宇宙中的暗能量相變相連」。 　　暗物質是誰最先發現的呢？ 　　1915年，愛因斯坦根據他的相對論得出推論：宇宙的形狀取決於宇宙質量的多少。他認為，宇宙是有限封閉的。如果是這樣，宇宙中物質的平均密度必須達到每立方厘米5×10的負30次方克。但是，迄今可觀測到的宇宙的密度，卻比這個值小100倍。也就是說，宇宙中的大多數物質「失蹤」了，科學家將這種「失蹤」的物質叫「暗物質」。 　　一些星體演化到一定階段，溫度降得很低，已經不能再輸出任何可以觀測的電磁信號，不可能被直接觀測到，這樣的星體就會表現為暗物質。這類暗物質可以稱為重子物質的暗物質。 　　還有另一類暗物質，它的構成成分是一些帶中性的有靜止質量的穩定粒子。這類粒子組成的星體或星際物質，不會放出或吸收電磁信號。這類暗物質可以稱為非重子物質的暗物質。 　　Abell 2390星系團(上半圖)和MS2137.3-2353星系團(下半圖)，距離我們約有20億光年遠。上圖右半方的影像，是哈勃太空望遠鏡所拍攝的假色照片，而相對應的左半方影像，是由錢卓拉X射線觀測站所拍攝的X射線影像。雖然哈勃望遠鏡的影像中，可以看到數量眾多的星系，但在X射線影像里，這些星系的蹤影卻無處可尋，只見到一團溫度有數百萬度，而且會輻射出X射線的熾熱星系團雲氣。除了表面上的差異外，這些觀測其實還含有更重大的謎團呢。因為右方影像中星系的總質量加上左方雲氣的質量，它們所產生的重力，並不足以讓這團熾熱雲氣乖乖地留在星系團之內。事實上再怎麼細算，這些質量只有「必要質量」的百分之十三而已！在右方哈伯望遠鏡的深場影像里，重力透鏡效應影像也指出造成這些幻像所需要的質量，大於哈勃望遠鏡和錢卓拉觀測站所直接看到的。天文學家認為，星系團內大部分的物質，是連這些靈敏的太空望遠鏡也看不到的「 暗物質」。 　　1930年初，瑞士天文學家茲威基發表了一個驚人結果：在星系團中，看得見的星系只佔總質量的1/300以下，而99%以上的質量是看不見的。不過，茲威基的結果許多人並不相信。直到1978年才出現第一個令人信服的證據，這就是測量物體圍繞星系轉動的速度。我們知道，根據人造衛星運行的速度和高度，就可以測出地球的總質量。根據地球繞太陽運行的速度和地球與太陽的距離，就可以測出太陽的總質量。同理，根據物體（星體或氣團）圍繞星系運行的速度和該物體距星系中心的距離，就可以估算出星系範圍內的總質量。這樣計算的結果發現，星系的總質量遠大於星系中可見星體的質量總和。結論似乎只能是：星系裡必有看不見的暗物質。那麼，暗物質有多少呢？根據推算，暗物質占宇宙物質總量的20—30%才合適。 　　天文學的觀測表明，宇宙中有大量的暗物質，特別是存在大量的非重子物質的暗物質。據天文學觀測估計，宇宙的總質量中，重子物質約佔2%，也就是說，宇宙中可觀測到的各種星際物質、星體、恆星、星團、星雲、類星體、星系等的總和只佔宇宙總質量的2%，98%的物質還沒有被直接觀測到。在宇宙中非重子物質的暗物質當中，冷暗物質約佔70%，熱暗物質約佔30%。 　　標準模型給出的62種粒子中，能夠穩定地獨立存在的粒子只有12種，它們是電子、正電子、質子、反質子、光子、3種中微子、3種反中微子和引力子。這12種穩定粒子中，電子、正電子、質子、反質子是帶電的，不能是暗物質粒子，光子和引力子的靜止質量是零，也不能是暗物質粒子。因此，在標準模型給出的62種粒子中，有可能是暗物質粒子的只有3種中微子和3種反中微子。 　　20世紀80年代初期，美國天文學家艾倫森發現，距我們30萬光年的天龍座矮星系中，許多碳星(巨大的紅星)周圍存在著穩定的暗物質，即這些暗物質受到嚴格的束縛。高能熱粒子和能量適中的暖粒子是難以束縛住的，它們會到處亂竄，只有運行很慢的「冷粒子」才能束縛住。物理學家認為那是「軸子」，它是一種非常穩定的冷「微子，質量只有電子質量的數百萬分之一。這就是暗物質的軸子模型。 　　軸子模型是否成立，最終得由實驗裁決。最近，還有人提出，暗物質可能是一種稱做「宇宙弦」的弦狀物質，它產生於大爆炸後的一秒期間內，直徑為1萬億億億分之一厘米，質量密度大得驚人，每寸長約1億億噸。這種理論是否成立，同樣有待科學家進一步研究。 　　為探索暗物質的秘密，世界各國的粒子物理學家正在這個領域努力工作，相信揭開暗物質神秘面紗的那一天不會太遙遠了。 　　在引入宇宙暴漲理論之後，許多宇宙學家相信我們的宇宙是平直的，而且宇宙總能量密度必定是等於臨界值的（這一臨界值用於區分宇宙是封閉的還是開放的）。與此同時，宇宙學家們也傾向於一個簡單的宇宙，其中能量密度都以物質的形式出現，包括4%的普通物質和96%的暗物質。但事實上，觀測從來就沒有與此相符合過。雖然在總物質密度的估計上存在著比較大的誤差，但是這一誤差還沒有大到使物質的總量達到臨界值，而且這一觀測和理論模型之間的不一致也隨著時間變得越來越尖銳。 　　當意識到沒有足夠的物質能來解釋宇宙的結構及其特性時，暗能量出現了。暗能量和暗物質的唯一共同點是它們既不發光也不吸收光。從微觀上講，它們的組成是完全不同的。更重要的是，像普通的物質一樣，暗物質是引力自吸引的，而且與普通物質成團並形成星系。而暗能量是引力自相斥的，並且在宇宙中幾乎均勻的分布。所以，在統計星系的能量時會遺漏暗能量。因此，暗能量可以解釋觀測到的物質密度和由暴漲理論預言的臨界密度之間70-80%的差異。之後，兩個獨立的天文學家小組通過對超新星的觀測發現，宇宙正在加速膨脹。由此，暗能量佔主導的宇宙模型成為了一個和諧的宇宙模型。最近威爾金森宇宙微波背景輻射各向異性探測器（Wilkinson Microwave Anisotrope Probe，WMAP）的觀測也獨立的證實了暗能量的存在，並且使它成為了標準模型的一部分。 　　暗能量同時也改變了我們對暗物質在宇宙中所起作用的認識。按照愛因斯坦的廣義相對論，在一個僅含有物質的宇宙中，物質密度決定了宇宙的幾何，以及宇宙的過去和未來。加上暗能量的話，情況就完全不同了。首先，總能量密度（物質能量密度與暗能量密度之和）決定著宇宙的幾何特性。其次，宇宙已經從物質佔主導的時期過渡到了暗能量佔主導的時期。大約在「大爆炸」之後的幾十億年中暗物質佔了總能量密度的主導地位，但是這已成為了過去。現在我們宇宙的未來將由暗能量的特性所決定，它目前正時宇宙加速膨脹，而且除非暗能量會隨時間衰減或者改變狀態，否則這種加速膨脹態勢將持續下去。 　　暗物質的蹤跡 　　暗物質是相對可見物質來說的。所謂可見物質，除發射可見光的物質外，還包括輻射紅外線等其他電磁波的物質。雖然宇宙中的可見物質大部分不能用肉眼直接看到，但探測它們發出的各種電磁波就可以知道它們的存在。暗物質不輻射電磁波，但有質量。 　　科學家為什麼會提出「暗物質」這個概念？宇宙中有沒有暗物質？ 　　在物理學中，把狀態變化的「轉折點」成為「臨界點」，比如水變成冰，溫度臨界值（或者說「臨界點」）為0℃。宇宙學的研究認為，宇宙中物質的平均密度，與決定宇宙是膨脹還是收縮的臨界值，相差不會超過百萬分之一。可是，宇宙中發可見光的恆星和星系的物質總量不到臨界值的1%，加上輻射其他電磁波的天體，如行星、白矮星和黑洞等，最多也只有臨界值的10%。 　　現已知道，宇宙的大結構呈泡沫狀，星系聚集成「星系長城」，即泡沫的連接纖維，而纖維之間是巨大的「宇宙空洞」，即大泡泡，直徑達1~3億光年。如果沒有一種看不見的暗物質的附加引力「幫忙」，這麼大的空洞是不能維持的，就像屋頂和橋樑的跨度過大不能支持一樣。 　　我們的宇宙儘管在膨脹，但高速運動中的個星系並不散開，如果僅有可見物質，它們的引力是不足以把各星系維持在一起的。 　　我們知道，太陽系的質量，99.86%集中在太陽系的中心即太陽上，因此，離太陽近的行星受到太陽的引力，比離太陽遠的行星大，因此，離太陽近的行星繞太陽運行的速度，比離太陽遠的行星快，以便產生更大的離心加速度（離心力）來平衡較大的太陽引力。但在星系中心，雖然也集中了更多的恆星，還有質量巨大的黑洞，可是，離星系中心近的恆星的運動速度，並不比離得遠的恆星的運動速度快。這說明星系的質量並不集中在星系中心，在星系的外圍區域一定有大量暗物質存在。 　　天體的亮度反應天體的質量。所以天文學家常常用星系的亮度來推算星系的質量，也可通過引力來推算星系的質量。可是，從引力推算出的銀河系的質量，是從亮度推算的銀河系質量的十倍以上，在外圍區域甚至達五千倍。因而，在那裡必然有大量暗物質存在。 　　那麼，暗物質是些什麼物質呢？ 　　宇宙學研究發現，在宇宙大爆炸初期產生的各種基本粒子中，有一種叫做中微子的粒子不參與形成物質的核反應，也不與任何物質作用，它們一直散布在太空中，是暗物質的主要「嫌疑人」。 　　但中微子在1931年被提出來以後，一直被認為質量為零。這樣，即使太空是中微子的海洋，也不會形成質量和引力。曾有人設想存在一種「類中微子」，它的性質與中微子類似，但有質量。可是一直沒有發現「類中微子」的存在。 　　極小的中微子運動速度極高，可自由穿透任何物質，甚至整個地球，很難被捕找到。但中微子與物質原子和亞原子粒子碰撞時，會使他們撕裂而發出閃光。探測到這種效應就是探到了中微子。但為了避免地面上的各種因素的干擾，必須把探測裝置（如帶測量儀器並裝有數千噸水的水箱）放在很深（如1000米）的地下。 　　1981年，一名蘇聯科學家在試驗中發現中微子可能有質量。近幾年，日、美科學家進一步證實中微子有質量。如果這個結論能得到最後確認，則中微子就是人們尋找的暗物質。 　　尋找暗物質有著重大的科學意義。如中微子確有質量，則宇宙中的物質密度將超過臨界值，宇宙將終有一天轉而收縮。關於宇宙是繼續膨脹還是轉而收縮的長久爭論將塵埃落定。 百度百科中的詞條內容僅供參考，如果您需要解決具體問題（尤其在法律、醫學等領域），建議您諮詢相關領域專業人士。 本詞條對我有幫助177

參考資料：

1.http://www.ifuzhu.com/subtitles/87999.htm

2.百度知道　http://zhidao.baidu.com

3.維基百科 http://www.wikipedia.org

4.星辰天文網:http://spl20040207.spaces.live.com/

5.TAS 台灣天文網:http://www.tas.idv.tw/

6.天狼星天文網:http://www.dogstar.net/

7.青島天文網:http://astro.bandao.cn/

8.多高科學網：http://www.duogao.com/

推薦閱讀：