科学家们找到暗物质是什么？关于暗物质的5个所知事实和5件未知事实

科学家们找到暗物质是什么？关于暗物质的5个所知事实和5件未知事实3.） 暗物质不能与自身、光线或正常物质有太大的相互作用。尤其是，我们有三个观测证据可限制暗物质的温度：四倍透镜类星体的引力透镜，对遥远物体的视线吸收特征以及星系附近的潮汐流。所有这三个都教导我们同一件事：暗物质必须很重，或者出生时移动缓慢。换句话说，即使在宇宙的早期，暗物质也必须是“冷的”，而不是热的或暖的。根据我们探测到的最早、最原始的气体云，我们可以测量宇宙在大爆炸后不久诞生的氢、铀、氦-3、氦-4和锂-7。这些测量值精确确定宇宙诞生的法态物质数量，而该值仅为总质量所需量的六分之一。因此，剩下的六分之五必须完全是别的东西：暗物质。2.） 暗物质在自然界中必须是冷的。从理论上讲，无论什么（迄今未发现）粒子对暗物质负责，这些粒子可能都不具有质量，而且相对于光速而言，要么比光速慢，要么比光速快，或根本不移动。但是，如果暗物质快于光速移动，其特性将抑制小尺度上结构的形成，导致结构与我们可以观

暗物质是宇宙中最神秘但又无所不在的物质之一。虽然像人类、地球、太阳和在太空中发射或吸收光的一切事物都是由正常物质构成的——包括质子、中子和电子等粒子——它们只占宇宙中所有质量的六分之一。剩下的六分之五，绝大多数是暗物质。

• 图注：拉尼亚凯亚（Laniakea）超星系团的可视化表示代表了超过100 000个估计星系的集合，这些星系的体积超过1亿光年，显示了暗物质（阴影紫色）和单个星系（亮橙色/黄色）的分布。 尽管最近才将拉尼亚凯亚（Laniakea）识别为包含银河系以及更多内容的超级星系团，但它并不是引力的结构，随着宇宙的不断扩展，它不会融合在一起。

我们认为暗物质是确实存在，甚至通过观察暗物质如何影响我们可以观察到的物质和光来推断其一些特性，特别是在大型天体物理环境中。但是，暗物质迄今未能直接发现，这意味着其许多特性仍然是悬而未决的问题。以下是我们所知的关于暗物质的五件事，还有五件我们没有了解的东西，因为我们已经到了探索科学前沿的极限。

• 图注：欧米茄星云的核心被离子化气体，明亮的新蓝色，大质量恒星以及阻挡背景光的前景尘埃带所突出。如果正常物质能够以气体，灰尘，等离子体，黑洞或其他非发光源的形式出现，则许多人希望它可以对所有“缺失物质”负责，而无需暗物质。但是，观察表明并非如此。

关于暗物质五个所知事实

1.） 暗物质不仅仅是我们无法检测到的正常物质，这是众所周知的。暗物质不能是：

• 小行星或彗星，
• 篮球大小的普通物质团，
• 电化等离子体，
• 黑洞，

或任何从正常物质中制造的东西。我们有一系列证据排除了这种可能性。

根据我们探测到的最早、最原始的气体云，我们可以测量宇宙在大爆炸后不久诞生的氢、铀、氦-3、氦-4和锂-7。这些测量值精确确定宇宙诞生的法态物质数量，而该值仅为总质量所需量的六分之一。因此，剩下的六分之五必须完全是别的东西：暗物质。

• 图注：在冷，暖和热的暗物质宇宙中，自上而下显示了在宇宙中形成的暗物质结构（左）和由此产生的可见星系结构（右）。 根据我们的观察，至少98％以上的暗物质必须是冷的或暖的； 排除高温。

2.） 暗物质在自然界中必须是冷的。

从理论上讲，无论什么（迄今未发现）粒子对暗物质负责，这些粒子可能都不具有质量，而且相对于光速而言，要么比光速慢，要么比光速快，或根本不移动。但是，如果暗物质快于光速移动，其特性将抑制小尺度上结构的形成，导致结构与我们可以观察到的结构不同。

尤其是，我们有三个观测证据可限制暗物质的温度：四倍透镜类星体的引力透镜，对遥远物体的视线吸收特征以及星系附近的潮汐流。所有这三个都教导我们同一件事：暗物质必须很重，或者出生时移动缓慢。换句话说，即使在宇宙的早期，暗物质也必须是“冷的”，而不是热的或暖的。

• 图注：液氙合作组(XENON collaboration)的自旋依赖性和自旋依赖性结果表明，没有证据表明存在任何质量的新粒子，包括与Atomki异常相适应的浅暗物质场景，或与DAMA / LIBRA一致的适度较重的暗物质，必须先明确地检测到新粒子，然后再将其视为“真实”粒子。

3.） 暗物质不能与自身、光线或正常物质有太大的相互作用。

毫无疑问，如果暗物质存在，在年轻的宇宙中一定有创造它的途径。然而，无论这个途径是什么，这些交互作用都不会再发生，并且在很长一段时间内都没有发生过。

直接检测实验并未发现暗物质，从而限制了我们详细对其了解。它不会吸收或模糊远处的星光，从而限制了它与光的交互。 它不会消灭超过一定阈值的自身，否则会在星系中心看到较大且弥漫的伽马射线信号。 实际上，完全不通过任何这些机制进行交互都是100％一致的。 如果我们希望直接检测到它，我们将不得不进一步提高这些限制，即使这样，也不能保证信号是肯定的。 暗物质可能根本不会以这些方式相互作用。

• 图注：整个矮星系Segue 1和Segue 3中仅存在约1000颗恒星，其引力质量为600 000太阳。环绕矮星Segue 1的恒星在这里盘旋。如果新的研究正确，那么暗物质将服从不同的分布，这取决于整个星系历史上恒星形成是如何加热了它。暗物质与正常物质之比超过600：1，是在暗物质偏爱方向上有史以来最大的比率。

4.） 平均而言，在所有最小的星系中，暗物质的影响最为明显。

这有点违反直觉，但在我们所看到的所有地方，都已通过观察验证。根据引力定律，所有形式的物质均受到同等对待。但是其他力，例如核力和电磁力，只会影响正常物质。 当星系中发生大量恒星形成爆发时，所有的辐射都只是穿过暗物质，但是它会与正常物质碰撞并被正常物质吸收。

这意味着，如果您的星系总体质量足够低，那么正常的物质可以通过强烈的恒星形成事件来驱逐。 您的星系越小且质量越低，被排出的正常物质的数量就越大，而所有暗物质都会保留下来。在所有星系中最引人注目的例子中，矮星系Segue 1和Segue 3都是银河系的卫星，它们仅包含几百颗恒星，但总体上约有60万太阳质量的物质。 暗物质与正常物质之比约为1000：1，而在大多数大型结构中为5：1。

• 图注：四个碰撞的星系团，显示出X射线（粉红色）和引力（蓝色）之间的分离。

5.） 暗物质在普通物质所不存在的地方会引起引力效应。

这是暗物质不能简单成为正常物质的最有力的证据。当两个星系组或星团碰撞时，星系间气体和等离子体碰撞并加热，发出X射线（以粉红色表示）。这代表了绝大多数的正常物质，远远超过了在恒星和各个星系本身中发现的物质。

但是，从引力透镜推断出的质量信号表明，质量的大部分位于显示蓝色轮廓的位置。 鉴于已经证明了各种各样的碰撞星团，只有某些新形式的质量遵循与正常物质不同的碰撞定律，这才是正确的。 不可避免的结论是，某种新的物质形式（暗物质）必须构成宇宙质量的绝大部分。

然而，仅仅因为我们知道关于暗物质的这五个事实就意味着我们知道这一切。

• 图注：对粒子暗物质的探索促使我们寻找可能与原子核发生反冲的的WIMP。LZ合作组将为所有WIMP核子横截面提供最佳限制，但是已经排除了由弱力驱动的粒子处于或接近电弱尺度构成100％暗物质的最佳激发方案 。

事实上，以下是我们五个不为所知的事情。

1.）我们不知道暗物质的粒子是什么，或者它是不是一个粒子。

我们知道暗物质的存在，它与自身、正常物质或辐射没有显著相互作用，而且它是冷的。但是我们不知道它实际上有什么属性。暗物质可以是：

• 大量像轴子一样冷的低质量粒子，
• 较少数量的重质量粒子（WIMPs），在早期宇宙中诞生，像中性粒，
• 引力相互作用（WIMPzillas）产生的超大规模粒子数量更少，
• 一个由物理学产生的GUT尺度的粒子，我们还没有完全了解它（例如沉重的右手中微子），
• 甚至渗透到宇宙并具有引力的非粒子状流体。

但是，我们直接检测暗物质候选粒子或场的所有努力都徒劳无功。我们间接地看到了它的天体物理学效应，这是无可争辩的，但在粒子大小的尺度上，我们不知道发生了什么。

• 图注：暗物质团块的存在，类型和性质会影响四镜头系统中多个图像之间的特定变化。 现在，我们已经获得了有关这些系统中八个系统的详细光谱数据，这一事实允许提取有关暗物质性质的有意义的信息。

2.） 我们不知道"暗物质"组成成分是简单还是富有。

暗物质，假设它是由粒子构成的，都是由同一种粒子构成的吗？不管它是否是相同的成分，暗物质粒子是否结合在一起，形成比仅仅分离的粒子更大、更丰富的结构？有没有暗原子、暗分子，或者更大的纯粹由暗物质构成的结构？

我们知道暗物质不会与自身无弹性地碰撞，并失去大量的角动量，但我们只探测过直到几千光年的暗物质结构。在比那小的尺度上？很显然，有一个完整的暗物质宇宙在那里，甚至包括某种暗物质"周期表"，该周期表由多种不同类型的暗粒子相互作用。唯一的限制是，它们这样做的门槛低于我们已经施加的限制。

• 图注：此势位显示不稳定的平衡点（橙色球）和较低、稳定的均衡点（蓝色），剩余自由度。如果电位然后向一个方向倾斜，那么自由度就会被移除，像轴子一样的粒子会突然从这样的过渡中获得质量。

3.） 暗物质是否一直存在于宇宙中，还是它后来的某个时候被创造？这是我们知道如何问的最深层次问题之一，我们不知道答案。暗物质可能是所谓的热遗迹，其中：

• 在热大爆炸的早期阶段，各种粒子和反粒子被创造，
• 当宇宙冷却时，不稳定的宇宙衰败并消灭，
• 但是，如果其中一个（迄今尚未发现）是稳定的，或者沿着衰变链稳定，或者其中有许多幸免于难，可以变成暗物质。

这是一直存在的暗物质，因为它是在热大爆炸一开始就创造的。但还有另一种方法，上面图强调了这一点：

• 宇宙冷却，橙色球滚入下面的山谷，它成为青球，
• 那个球有一定程度的自由，它可以滚动底部，并占据所有点与同等的可能性，
• 直到有东西来倾斜整个势位，这毕竟给它一个首选的方向。

后一种情况对应于类似轴子的情况，其中这些粒子都获得较小但非零的静止质量，并大量脱离量子真空。 暗物质可能并不总是存在，但可能在以后形成：在恒星形成之前和CMB发射之前，但在炽热大爆炸的早期之后。

• 图注：宇宙微波背景（CMB）峰的结构随宇宙中的变化而变化，宇宙功率谱中存在的峰和谷以及其他大规模结构特征也会变化。

4.） 暗物质是永远稳定的，还是有一天会衰变掉？

这是我们所拥有的都是约束的另一种情况。 从宇宙微波背景波动中的波谷，我们知道当宇宙只有几千年的历史时，暗物质就必须与正常物质以5：1的比例存在。从大尺度结构和星系中心的观察，我们知道，暗物质与正常物质之比在过去138亿年中没有任何可测量的变化。

但是暗物质的衰变时间可能会比宇宙年龄更长，而且我们尚无法得知。仍然存在着数千亿年甚至更长的生命周期，这意味着在将来，甚至在恒星仍在燃烧时，暗物质也可能会衰变成正常物质，反物质或 辐射。直到我们知道其属性是什么，这仍然是一个谜。

• 图注：当ADMX检测器从其磁体上移开时，用于冷却实验的液氦形成蒸气。 ADMX是世界上首屈一指的实验，致力于通过寻找强CP问题的解决方案来寻找潜在的暗物质候选者。

5.） 我们的任何直接检测实验会找到它吗？

也许我们快要找到关于暗物质真正是什么的实验性线索。但也许不是；也许我们要做是对我们知道如何测量的事物施加约束，例如事件发生率，散射截面以及潜在的粒子属性和耦合。我们无法知道我们现在正在进行的实验是否能够揭示暗物质的性质，而不论其性质是什么。

我们有可能从各种实验中随时得到候选暗物质粒子的声明，但我们目前寻找暗物质的方式也可能永远不会有结果。然而，我们不仅知道暗物质存在于天体物理学证据中，而且我们最终发现了大量关于它是什么、它如何作为以及它不能是什么的信息。为了理解我们的宇宙，一件事比其他所有事情都要突出：我们必须对我们所知道的，我们所不知道的和尚不确定的事物持谨慎和诚实的态度。