宇宙是“人为制造”的(de)？为何会存在科(kē)学无法解释的“暗物质”？暗物(wù)质(zhì)又究竟是什(shén)么？人类为(wèi)了寻找暗(àn)物质存在的证据，科学家们在过去的(de)几十(shí)年当中进行了超过50次的长期实验，但是却没有发现任何的有效(xiào)证据(jù)。除了一个地方，在1687年出版的自然哲学(xué)数(shù)学原(yuán)理(lǐ)一书中叮铃铃和叮呤呤，《叮铃铃》，埃萨克牛顿(dùn)发表了万有(yǒu)引力定律(lǜ)，它(tā)揭示(shì)了宇宙中天体(tǐ)运动的规(guī)律。往后(hòu)的几百年来(lái)，当天文(wén)学家们发现某些天体运行轨道出现异常，不符合万(wàn)有引(yǐn)力定(dìng)律的时候(hòu)，他们就(jiù)会知道，周围一定有未(wèi)知的天体通过引(yǐn)力在(zài)摄动它的轨道。比如在(zài)1846年，奥本勒维(wéi)耶(yé)就通过天王(wáng)星(xīng)运行轨道的异(yì)常(cháng)，推算并且发现了海王星(xīng)的存在。另(lìng)外，哈雷彗星、冥王(wáng)星的发现都(dōu)是(shì)应用万有引(yǐn)力定(dìng)律所取得重(zhòng)大(dà)天文成就的例子。但是这些发现都是在恒星系(xì)统的尺度当中(zhōng)，可(kě)当我们上升到(dào)星系(xì)或者是星团的尺度，事(shì)情就(jiù)开始变得(dé)诡异了。

叮铃铃和叮呤呤，《叮铃铃》ing="async" data-ratio="0.5500910746812386" data-type="jpeg" data-w="1647" src="https://mmbiz.heiliaofuli.com/wp-content/uploads/2023/02/7e58e8fcd62ac7f.jpeg?imageMogr2/thumbnail/2160x0/format/webp/quality/80">

1933年(nián)，瑞士(shì)的物理学家弗里茨兹威(wēi)基正(zhèng)在研(yán)究和测量后发(fā)星系团(tuán)的质(zhì)量。这是一个由数千个星(xīng)系所(suǒ)组成的巨大(dà)星系(xì)团，这(zhè)些星系被引力(lì)束缚在一起。测量星(xīng)系团的质量(liàng)一般会使用到两种方法，当两种方法结果(guǒ)一致，就(jiù)可(kě)以(yǐ)确定其(qí)质量的范围。

第一种是获得(dé)其(qí)"光度学的质量"，需要的数据是测量各个(gè)星系的光度(dù)。

第二种是动力学质量(liàng)的计算，是利用光(guāng)谱红移测量星系团中的(de)各个星系相对于(yú)星(xīng)系团(tuán)的(de)运动速(sù)度(dù)。当测(cè)量结果出来之后，兹威基彻底懵了，“动力学质量”竟然是“光度学质量(liàng)”的400倍。这意味着，后发座星系团有99%的质量消失(shī)了，或者(zhě)说这99%的质量并不(bù)以可(kě)见光的(de)形式(shì)所存在(zài)，我们无法看到(dào)。最诡异的是，在测量(liàng)速(sù)度的过(guò)程中，兹威基发现星系(xì)团(tuán)中很多星系的(de)速度比理(lǐ)论上要快得多，按照牛顿的(de)运动学定律(lǜ)，仅靠这些可见星(xīng)系的质量所产(chǎn)生(shēng)的引(yǐn)力(lì)是无法将它们束缚在星系团内(nèi)的，它(tā)们早就应(yīng)该(gāi)被抛出星系团(tuán)之外(wài)了(le)，除非有(yǒu)一(yī)种神秘的力量在起作用，这种力量来源(yuán)于某种隐(yǐn)形的物(wù)质。

据(jù)此，兹维基提出了这(zhè)样部分不(bù)可见的(de)暗质(zhì)，它不发散光(guāng)、吸光、反射(shè)光，但是它们却占(zhàn)据着宇宙(zhòu)中绝大部分的质量。只是当时的人们(men)对这样的一种说法不屑一顾。

直到40年之后(hòu)，“暗物质”这个词才(cái)再一次出现。天文学家维(wéi)拉(lā)鲁宾和肯特福特(tè)在观测仙女座(zuò)星系中的恒星(xīng)运动。理论上来说，距离中心越(yuè)远的恒星在其轨道上的运行速度就(jiù)会越慢(màn)。但(dàn)是他(tā)们(men)观测(cè)的结果却让(ràng)人感到(dào)不可思议。

随着与中心(xīn)距离的增加，恒星(xīng)的旋转(zhuǎn)速度(dù)几乎(hū)保持(chí)不变。可是根据牛顿的万有引力定律，在星系当中(zhōng)如果没有足够(gòu)大的质(zhì)量(liàng)来吸(xī)引(yǐn)它们，这些外(wài)围的恒星早就被甩到(dào)宇(yǔ)宙当(dāng)中(zhōng)了。基于这种现(xiàn)象，科学(xué)家们会使用一(yī)种相对标准(zhǔn)的方法来解释暗物质的存在，这种方(fāng)法就是测量星系当中气体(tǐ)在(zài)X轴上(shàng)距(jù)离星系中心的距离，以(yǐ)及在(zài)Y轴上气体的旋(xuán)转速度。如果出现异常(cháng)的结果，就认为是由暗物(wù)质的力量进入(rù)其中。

于是科(kē)学(xué)家(jiā)们通过射电望远镜测量了距(jù)离星系(xì)中心更远距离(lí)的氢元素，发现它(tā)们的旋转速(sù)度并不符合牛顿的力学定(dìng)律。我们的太阳(yáng)系也不例外(wài)，太阳系(xì)位(wèi)于银河系的第(dì)三悬臂之(zhī)上(shàng)，距(jù)离(lí)银河系中心2.6万光年，根据万有(yǒu)引力(lì)定律进行计算，太阳系的运行(xíng)速度(dù)应该是160千米/秒，但实(shí)际上，太(tài)阳系正在以220千米/秒的(de)速度围绕银河系旋转，这个实际速度远远(yuǎn)大(dà)于理论速度(dù)，那么产生以上(shàng)这种向心加速度的原因很可能就是存在着一(yī)种(zhǒng)我们看不到的(de)物质，是这(zhè)些暗物质的引力效应(yīng)将星系聚集在了(le)一起。

也是从这时(shí)开始(shǐ)，越来越多(duō)的研究人(rén)员开始相信暗(àn)物质(zhì)的存在。科学家根(gēn)据(jù)星系外恒星轨道的速度，估算在星系当中暗(àn)物质(zhì)的质量占整个星系质量的85%。但(dàn)是，暗(àn)物质并不是唯一(yī)可以(yǐ)解释(shì)这个现象(xiàng)的原因。在一项新的研究(jiū)当(dāng)中，科学家们发现，几乎没有引力效应的遥远恒(héng)星(xīng)之(zhī)间，也会出现速(sù)度上的微小(xiǎo)差异(yì)。另外(wài)，天文学家还发现了一个反常(cháng)的星系，叫做(zuò)Agc114905。这(zhè)个星系距离地(dì)球大约2.5亿光(guāng)年，大小和银河系不多，但是星系(xì)当中存在的恒星数量却只(zhǐ)有银河(hé)系(xì)的千分之一。

所以(yǐ)在(zài)理论(lùn)上，该(gāi)星系必须存在(zài)暗物质，否则就会分崩离析(xī)。但是科学家(jiā)们使(shǐ)用最先(xiān)进的望远镜对(duì)其进行了40个小时的详细测量(liàng)之后，发现(xiàn)星系中(zhōng)的(de)恒星运动是可以(yǐ)用(yòng)正常(cháng)的物质和(hé)力学定律来解释(shì)的。那(nà)么又有人提出(chū)，也许该星系的暗物质，已经被(bèi)附近的(de)另一个大星系剥离了。奇(qí)怪(guài)的是(shì)，它的附近没有(yǒu)任何星系(xì)存(cún)在。造成(chéng)这些(xiē)现象的除了暗(àn)物质的假说之外，另(lìng)一种(zhǒng)可能就是人类对引力(lì)的理解还不够全面，引力很可能在不同尺度空(kōng)间(jiān)中的工作方式(shì)是不同的，这意(yì)味着在(zài)行星(xīng)系(xì)尺度中的天(tiān)体会沿(yán)着(zhe)它们的轨道，按照我们所理解的方式运(yùn)动。但是上(shàng)升到星系和(hé)星团的尺(chǐ)度，引(yǐn)力之间的相互作(zuò)用则(zé)是不同(tóng)的方式。对于在星系团之(zhī)间(jiān)的相互作(zuò)用，科学家(jiā)还引入了(le)外部场效应的概念，指(zhǐ)的(de)是在(zài)数百万光(guāng)年的规模上，巨(jù)大的(de)质量之间会产生对彼此特殊的效果(guǒ)，这(zhè)个理论叫(jiào)做MOND蒙(méng)德理论。如果MOND蒙德理论成立，这(zhè)意味着(zhe)我们(men)需(xū)要对现在的物(wù)理定(dìng)律进行修正，这些发(fā)现也让很多(duō)人认(rèn)为暗物质假说理论就此终结。但是在(zài)宇宙(zhòu)当中还有(yǒu)关(guān)于暗物质存在(zài)的其他(tā)的(de)理(lǐ)论证据，这些理(lǐ)论证(zhèng)据是蒙(méng)德理论所(suǒ)没法解(jiě)释的“引力透(tòu)镜”。

径向(xiàng)距离(lí)为(wèi)37亿(yì)光年的子弹星系(xì)团，由两个碰(pèng)撞(zhuàng)的星系(xì)团所组成(chéng)，类(lèi)似这样的星团，它们大(dà)部(bù)分(fēn)的(de)普通质量都在星系的(de)气体当(dāng)中。当(dāng)星团以(yǐ)1000万公里/小时(shí)发生碰撞(zhuàng)的时候(hòu)，星(xīng)际气体的相互作用就会导(dǎo)致温度的急剧(jù)升高，速(sù)度大(dà)幅降低。所以在理论(lùn)上，在(zài)碰撞(zhuàng)之后(hòu)，子(zi)弹星(xīng)系团大(dà)部分的质量(liàng)将位于所有这些气体所在(zài)的中间区域。那么我们通过(guò)什么来验证它的(de)质量(liàng)区域(yù)到底是不是(shì)集中在中间呢？前不(bù)久，詹姆(mǔ)斯(sī)韦伯太空望(wàng)远镜传(chuán)回(huí)了宇宙当中第一张全彩(cǎi)的高清照片，在照片中我们(men)可以明显地(dì)看(kàn)到很(hěn)多(duō)星系似乎被拉(lā)伸产生了巨大的形变(biàn)。其(qí)实这些星(xīng)系(xì)本身并(bìng)不是真的被(bèi)扭曲了，也不是韦(wéi)伯望远镜(jìng)出了什(shén)么问题(tí)，而是这样极遥远的天(tiān)体和(hé)我(wǒ)们地球上的观测者之间。被(bèi)一个质量(liàng)超级巨(jù)大(dà)的天(tiān)体遮挡，这个超大质量的东西(xī)的(de)引力(lì)，会使身后更遥远星(xīng)系的光都发生了扭曲(qū)。这个(gè)现象就是引力(lì)透镜(jìng)效应。这个巨大的天体可(kě)能(néng)是超大质量的黑洞(dòng)或者是暗(àn)物质。

所(suǒ)以当人(rén)们对子弹星系(xì)团观测的时候，发现它的大质量区(qū)域并(bìng)不是在中间，而(ér)是在两侧。所以最好的解释方法就是当星团发生全部的碰撞时(shí)，可(kě)被观测到的质量气体(tǐ)被(bèi)卡在了(le)中间，暗物质则直接通(tōng)过了这个区域(yù)，并(bìng)在两边形(xíng)成(chéng)了引力透镜。对(duì)子弹星系(xì)团(tuán)的引力透镜研究也被认(rèn)为是(shì)暗物质存在的迄今为止最好的理(lǐ)论证(zhèng)据。

除此之外(wài)，还有来自宇宙(zhòu)当中最古老的光。从宇宙大爆炸开始，38万年之后，可见光(guāng)终于可以畅通(tōng)无(wú)阻地穿越在宇宙(zhòu)当中了。经(jīng)过了130多(duō)亿(yì)年之后(hòu)，这些光在宇宙(zhòu)空间背景上留(liú)下了各相(xiāng)同性的微波辐射(shè)。其中红色的部分表示(shì)温度较高的(de)区域，蓝色则表示相对较冷的区(qū)域，但(dàn)实(shí)际上它们之间的温差只有万分之一。

科(kē)学家们通过(guò)对(duì)前景(jǐng)背景分离后的二值图(tú)像进行(xíng)连通域提取和标(biāo)记之后发现，如(rú)果(guǒ)宇宙当中(zhōng)没(méi)有暗物质(zhì)，图形看(kàn)起来不应该是这样(yàng)的，而随着暗物质的增加(jiā)，一些峰(fēng)值的幅(fú)度(dù)会减(jiǎn)小，才变得看起(qǐ)来(lái)“和谐”。为了匹(pǐ)配宇宙微波背景(jǐng)辐射(shè)的测量(liàng)值(zhí)，我们需要的暗物质大约是普通物质的(de)5倍。这个数字与解释星系当中(zhōng)恒星运动所需(xū)要(yào)的(de)暗物(wù)质比例是一致的(de)。这就意味着。

用了一个简单的理论框架，就很好地解释(shì)了很(hěn)多不同的观(guān)测结果。而暗物质的(de)本质就是宇(yǔ)宙当中存(cún)在着某种(zhǒng)类型的粒子，它们不参(cān)与任(rèn)何其他(tā)的电磁作用，只通(tōng)过引力来相互作用。所(suǒ)以如果能(néng)够找(zhǎo)到这种粒(lì)子(zi)的(de)存在，就相当于(yú)找到了暗物质存(cún)在的实际证据。这(zhè)种粒子(zi)到(dào)底是什么？科学家们(men)已经提出了数十种(zhǒng)的(de)假想(xiǎng)目标，而要寻(xún)找这(zhè)些不同的(de)目标粒子所需(xū)要的实验方式也不相(xiāng)同。在(zài)过(guò)去的几(jǐ)十年(nián)当中，人类为了寻找这些看(kàn)不见、摸不到(dào)，几乎不会(huì)与常规物质相互作用(yòng)的(de)“暗物质”，科(kē)学(xué)家们(men)已经进行了超过50次的实验(yàn)，却没有任何实质性的发(fā)现，除(chú)了一个地方(fāng)，意大利的格兰萨(sà)索山(shān)，隶属(shǔ)于(yú)阿尔卑斯(sī)山脉。

在山下(xià)1400米处的地下矿井当(dāng)中(zhōng)，藏着(zhe)地(dì)球上最大的地学实验室，这个实验室叫“DAMA/LIBRA”。这里有(yǒu)一个三(sān)层楼高的(de)探测器，一直致力于寻找(zhǎo)暗物质粒子的周(zhōu)期(qī)性震荡。

自1997年(nián)以(yǐ)来，这(zhè)里的科学家声(shēng)称观测到(dào)了某种信号。经过了20多年的数据(jù)收集(jí)，人们发现了一个有趣(qù)的事情。探测(cè)率会在每(měi)年(nián)的6月份达到峰值，然后在(zài)11月(yuè)降到最低，而且在20年当中(zhōng)每年都是一样(yàng)。一些科学家认为这可能是人类发现暗物质的第一个直(zhí)接证据。

但(dàn)是为(wèi)什么暗物质会产生周期性(xìng)的(de)年度信号呢？刚才我们讲了太(tài)阳(yáng)系正在以220公里/秒的速度(dù)围绕着银河系进行移(yí)动，那么如果暗物质存在(zài)宇宙当中，这意味着(zhe)我们也在(zài)以这(zhè)样的速度在(zài)穿越着(zhe)暗物质流，这个过(guò)程(chéng)中会(huì)产生相应的振荡，同(tóng)时(shí)地球(qiú)又以30公(gōng)里/秒(miǎo)的速(sù)度(dù)围绕太阳进行旋转。所(suǒ)以有半(bàn)年的时间，地(dì)球围绕(rào)太阳的方向与太阳环绕银河(hé)系(xì)的方向是一致(zhì)的，而(ér)另外半年则与(yǔ)之相(xiāng)反。

而(ér)在6月(yuè)份的(de)时候，地球与太阳的方向正好达到完全一致，这是理(lǐ)论上地球穿(chuān)越暗物(wù)质流最快的时段。而在11月(yuè)份，又恰好达到了最慢值。尽管在(zài)实际的情(qíng)况(kuàng)中，太阳(yáng)系(xì)相对(duì)银河系(xì)的平面呈(chéng)现了60度的倾斜，但是这(zhè)并不影响这个(gè)理(lǐ)论的有(yǒu)效性。

因此(cǐ)科(kē)学(xué)家认为这可(kě)以用来解释，研(yán)究人员们所观测(cè)到的周期(qī)性信号。当(dāng)然也可能(néng)有其(qí)他的情况，造成这种年度(dù)周期(qī)信号的差(chà)异也(yě)可能是(shì)温度、湿度、土壤中的(de)水分、高山上的积雪，甚至连意大(dà)利游(yóu)客(kè)的数量也符合这个周期(qī)的规律。

所以，科学(xué)家们又在南半球建立(lì)了(le)一个几乎相同的实(shí)验室，这里的季节(jié)与之前的实验室(shì)正好相反，而在这(zhè)里，地球穿过暗物(wù)质流的运动(dòng)特(tè)征(zhēng)和第一个实(shí)验室(shì)是(shì)一样的。

因此，如(rú)果在这里可以(yǐ)得到(dào)相同的(de)信(xìn)号，就可(kě)以成为暗(àn)物质所(suǒ)存在的非常有力的(de)证据了。但是(shì)由于(yú)这个实验室(shì)刚刚(gāng)建(jiàn)成不久，所(suǒ)以截至目(mù)前还无(wú)法提供(gōng)相(xiāng)应的(de)数据(jù)支持。另外(wài)，在2025年(nián)，NASA将会发射一(yī)台新的望(wàng)远镜(jìng)，这(zhè)台太(tài)空望远镜(jìng)叫(jiào)做“南希(xī)格雷斯(sī)罗曼”，它的(de)主镜大(dà)小跟哈勃望远镜相同，但它(tā)的宽视场仪器提供的(de)视野是哈勃(bó)红外仪器(qì)的100倍。南希格雷斯(sī)罗曼太空(kōng)望(wàng)远镜其(qí)中一(yī)个关键的用(yòng)途就是(shì)探索暗物质背后的(de)奥秘，对于探测的(de)结果，我(wǒ)们只能拭目以待了。费米实验室粒子天体物理(lǐ)中心(xīn)的科学家丹琥珀(pò)和贾(jiǎ)森斯特芬研究发现，如(rú)果暗(àn)物质存在，它(tā)们极有(yǒu)可能(néng)拥(yōng)有(yǒu)另一种神秘的效应，这种暗物质效应，会(huì)支持宇宙当中生命的(de)诞生，或者说是生(shēng)命进化的一个重要(yào)因素。

如(rú)果这一理论(lùn)得(dé)到进(jìn)一(yī)步的证实(shí)，那么(me)遍布宇宙当(dāng)中(zhōng)的暗(àn)物质会不(bù)会意味着人类并不孤(gū)单呢？或许(xǔ)在宇(yǔ)宙当中某个角落的行(xíng)星上，暗物质正在通过这样的效应(yīng)创造生(shēng)命。当然(rán)，这些推(tuī)论的大前提是要先找到暗物质存在(zài)的实际证据。那么小(xiǎo)伙伴(bàn)们，你们觉得(dé)暗(àn)物质到(dào)底存不存在呢(ne)？喜(xǐ)欢(huān)请点赞，你的支持是我(wǒ)更新(xīn)的动力(lì)！

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