为什么科学家们要追寻暗物质?
发布网友
发布时间：2023-01-07 04:03
共4个回答
热心网友
时间：2023-10-19 15:42
出品：科普中国
制作：悟空粉丝团
监制：中国科学院计算机网络信息中心
此时悟空在天上一刻不停得找寻暗物质，但是在上个世纪的很长一段时间里，人们并没能成果证明暗物质的存在。常说，“眼见为实”，那么科学家为什么认为不可见的暗物质是存在的呢？
来自两大领域的证据
自茨威基二十世纪30年代发现并命名“暗物质”后，直到二十世纪70年代，证明暗物质存在的研究才真正取得进展。为什么在长达四十年的时间里，暗物质研究都没有进展呢？
当时，天文学家刚刚意识到星系是由恒星组成的巨型集合体。茨威基观测后发座星系团时，对爱因斯坦理论的验证刚刚起步，首次宇宙测量正在进行，核物理学家刚刚开始发展解释大爆炸和超新星的理论。星系复杂而遥远，暗物质问题没有立即引起天文学家的关注，也不足为奇。
二十世纪70年代早期，技术、天文学和粒子物理的进步为暗物质研究奠定了基础。广义相对论和核物理在关于早期宇宙的大爆炸理论中“携手”，更大的望远镜和更精准灵敏的光探测器提升了天文观测的速度和质量，微型计算机的降价使从事物理和天文研究的机构有能力购进用于天文计算的高性能计算机。各领域的进步都为拉开暗物质综合研究的序幕做好了准备。不久，两个重要的研究“应运而生”，来自计算机模拟和天文学观测的证据再次证明宇宙中存在暗物质。
1973年，供职于普林斯顿大学的天文学家欧斯垂克（Jeremiah Ostriker）和皮伯斯（James Peebles）使用数值模拟研究星系演化。他们应用多体数值模拟（N-body simulation）将300个质点编入计算机程序，以此代表一个星系中围绕中心点转动的恒星群。在他们模拟的星系中，靠近中心处的质点较多，边缘处的质点较少。模拟运行时，程序通过牛顿定律计算每对质点之间的引力，显示出质点在短时间内如何运动。通过多次计算，欧斯垂克和皮伯斯能够“追踪”星系中所有质点在长时间内的运动情况。
欧斯垂克和皮伯斯。图片来源： AIP, Physics Today Collection and Tenn Collection.
欧斯垂克和皮伯斯发现，大部分质点在一个轨道周期（质点环绕轨道一周需要的时间）内就会“压缩”为接近星系中心的高密度条状物，仅有少数质点向更靠近边缘处的位置运动。这与通常情况下观测到的优美的螺旋形或椭圆形星系完全不同。但如果在模拟中加入相当于所有质点总质量3-10倍的均匀分布的静态质量，输出的星系结构就变得合理了。欧斯垂克和皮伯斯的数值证据可以证明，要形成我们观测到的星系结构，暗物质的参与是不可或缺的。
与此同时，供职于华盛顿卡内基研究所的天文学家福德（Kent Ford）和鲁宾（Vera Cooper Rubin）开始对仙女座星系（galaxy of Andromeda）的恒星运动进行细致观测。星系非常庞大，即便是以每秒200公里的速度运动的恒星，看起来也像是静止的，天文学家需要通过多普勒频移计算其运动速度。早期，测量仙女座星系不同部位的恒星速度极为困难。当时，用于测量频移的光谱仪很长时间才能聚集足够的光线，对仙女座星系某个特定部位的观测需要耗费数小时甚至数个夜晚。整合几次观测的图像也面临重重挑战，结果经常出现误差。70年代早期，更加灵敏的光探测器缩短了观测时间，为在更大范围内进行星系观测带来曙光。
鲁宾正在测量星系光谱，她用看起来像显微镜的设备发现光谱中的微小差别，通过这些差别得出星系各个部分转动的速度。
图片来源：Carnegie Institute of Washington
福德和鲁宾用新的探测器测量了仙女座星系内部和附近氢气云的速度。这些氢气云绕星系做轨道运动，这在很大程度上类似于恒星在星系内部的轨道运动。福德和鲁宾设想，与边缘处的氢气云相比，星系可见边缘外的氢气云应该以更慢的速度运动。倘若星系的质量集中在发光之处，福德和鲁宾的设想就符合维里定理的推测。但他们的发现恰恰相反：星系可见边缘外的氢气云的轨道速度保持不变。如果牛顿引力定律是正确的，星系可见边缘外必定存在额外的不发光的物质。鲁宾认为，如果仙女座星系符合牛顿引力定律，该星系必定含有暗物质，离星系中心处越远、暗物质的数量越多。下图中的绿点表示实际观测到的M33星系中物体的轨道运动速度（竖轴）和该物体到星系中心点距离（横轴）之间的关系。位置较低的*虚线表示根据星系内的发光物推算的M33星系内物体的轨道速度。绿色的点明显与虚线不符：星系外的物体的轨道速度远快于预期。但如果星系中含有大量不发光物体，远离星系中心的物体就会以更快的速度运动。绿色实线是以M33星系内含有暗物质为前提推算的物体轨道运动速度。这些轨道运动曲线为暗物质的存在提供了强有力的间接证据。
图片来源：M33 Image: NOAO, AURA, NSF, T.A.Rector.
第三种证据
到上世纪70年代末期，两种关于暗物质的证据已“脱颖而出”。星系团内的星系运动和气体云绕个体星系的运动证明，要么星系和星系团中存在大量看不见的物质，要么我们对引力的理解从根本上就是错误的。而对星系形成的模拟也显示，要形成我们在夜空中观测到的螺旋形和椭圆形星系，大量暗物质的参与不可或缺。上世纪90年代，随着大气层外的射电望远镜“绘出”宇宙微波背景（cosmic microwave background），第三种证据浮出水面。
新的证据来自早期宇宙。天体物理学家相信，大爆炸发生约一秒钟后，由质子、中子、光子、电子和其它次原子粒子组成的致密混合物充斥了宇宙。当时温度极高，以至于电子无法与质子结合形成原子。所有粒子高速分散，使所有存在形式保持相同的温度，即彼此处于热平衡状态。光子也在远离带电的质子和电子，但它们无法到达很远的地方。
在宇宙膨胀的过程中，温度下降至约10亿开氏度。质子和中子开始结合，形成原子核。在大爆炸发生约39万年后，持续的膨胀和降温使宇宙温度下降到约3000开氏度。此时，所有电子和质子均已结合形成电中性的氢原子，所有其它带电粒子均已衰变。初始时期的氢气形成后，宇宙对于光子来说变得“畅通无阻”，此后的130多亿年中，它们始终在宇宙中穿行。这些来自早期宇宙的“古老”光子带有一个微波波长，也就是人们所说的宇宙微波背景。
中性的氢气形成前，物质在空间中几乎是均匀分布的，但量子力学的波动会引起普通物质和暗物质密度的微小变化。引力将普通物质和暗物质拉向每次波动的中心。暗物质向中心移动时，普通物质会填充进来，直至光子的压力将其推回并导致普通物质向外移动。引力的压力超过光子压力时，物质才会再次向内填充。每次波动“周而复始”，波动频率由其大小决定。这种起伏会影响普通物质的温度，使其在向内填充时升温，向外移动时降温。暗物质不与光子发生相互作用，不受这种效应的影响。
中性的氢气形成时，物质向内填充过的区域比周边区域温度高。反之，物质“流出”的区域温度相对较低。物质在空间不同区域的温度以及与其保持热平衡的光子能够反映出暗物质在初始密度波动中的分布情况和普通物质的情况。电子和质子形成中性氢气时，这种温度变化模式被“冻结”在宇宙微波背景中。因此宇宙微波背景中的温度变化图能够揭示大爆炸发生39万年后不同类型物质的位置和数量。
欧洲普朗克宇宙探测器团队于2013年发布的宇宙微波背景图。图片来源：ESA
2013年3月21日，欧洲普朗克宇宙探测器团队发布了新的全宇宙微波背景图。图像表明，宇宙的年龄比研究人员之前的推测稍微古老一些。这张宇宙的“婴儿照”将细微的温度变化镌刻在深空中。镌刻下的印记反应出宇宙在初始时期“泛起的涟漪”，这些“涟漪”带来了目前星系团和暗物质组成的广袤的宇宙网络。该团队推算，宇宙的年龄为137.980.37亿岁，由4.9%的普通物质,26.8%的暗物质和68.3%的暗能量组成。
在这三大证据的面前，暗物质的面目逐渐越来越清晰起来。
热心网友
时间：2023-10-19 15:42
导语：暗物质是否纯属揣测，能称之为科学吗？
关于“暗物质真的存在吗？为什么让科学家苦苦追寻？”这个问题，小编整理了多个来源的用户回答，供大家更全面的了解。
1、以下观点被70人点赞、并有51个交流讨论：
暗物质的存在一经证实，意味着人类首次发现了暗物质存在的形式，将是物理学的重大突破。什么是暗物质？看不见、摸不着、重如山？在现代天文学界和物理学界，有一个被科学家称为“世纪之谜”的问题待解，它也是困扰现代物理学发展的一个重大难题，这便是暗物质，暗物质的本质到现在还不清楚。暗物质被称为“世纪之谜”。它“霸占”了宇宙95%的地盘，却摸不到看不着，甚至让爱因斯坦都迷糊了，否认了它的存在。令人兴奋的是，经过10年观测，紫金山天文台专家捕捉到了很可能是暗物质留下的“足迹”——高能电子，这可能是暗物质存在的一个2008年11月20日，《Nature》上发表了中国天文学家、中科院紫金山天文台研究员常进与国外同行合作的宇宙高能电子空间观测新发现《宇宙电子在3000-8000亿电子伏特能量区间发现“超”》。如果这一成果被进一步证实，这将是人类第一次发现暗物质粒子湮灭的可能证据，也将是现代物理学的重大突破。
2、精彩回答：
无论是银河系里的恒星，还是有智慧的人类概莫能外。现代科学将原子细分为多种不同类型的基本粒子，然后又根据它们的基本相互作用类型进行分类。也就是说，物理学家眼中的世界是基本粒子+基本相互作用。其次，宇宙学家把宇宙的膨胀速度的大小，跟所有观测到的星系、尘埃、辐射等等物质的总质量放进广义相对论方程里比较。结果发现宇宙的总质量应该远远大于已知物质的总质量。第三，物理学家曾经在计算机中模拟一团原始物质在引力和宇宙膨胀的共同作用下，逐渐聚集成星系的过程。如果假设宇宙中不存在额外的物质，那么模拟结果就和实际的观测对不上。如果假设存在一种大质量的粒子，只参与弱相互作用和引力，不参与其它相互作用的话，并且占宇宙的总质量的比例大概在20%多时，模拟结果就比较理想了。种种未知现象都迫使天文学家和物理学家提出，宇宙中存在一种”暗物质“。主流观点认为，暗物质是一种大质量、弱相互作用粒子，简称为WIMP。我记得暗物质的特点是在星系中呈球状分布，而不像原子物质聚集成一个盘。所以，地球附近的暗物质的总质量不会对我们产生影响（否则在牛顿时期就会发现了）。暗物质对于理解宇宙的形成、演化，对于完善物理学基本理论都有重要意义。
3、以下观点被24人点赞、并有13个交流讨论：
正常人的思维可以接受世间万物受到地心引力会稍稍改变方向。好吧，假如菲多可以接受把一堆物质随便乱扔，那为什么不干脆说我们的宇宙空间里物质都不是均匀分布的呢？这个说法也不太难接受，只是，它始终需要一个合理的解释。对此我们可以有两种解释，要么是宇宙从诞生的一开始就是不均衡的，要么就是宇宙成形之后又发生了一些事情，打破了它的平衡。我也承认，从某种角度看，黑暗物质就像托勒密天文学说一样，是一种稍显滑稽、就像是科学家们即兴堆砌起来的理论体系，只是刚好能找到一些还不算太离谱的解释。假如宇宙学家们足够清醒、理性，他们会大方承认我们目前对黑暗物质并没有合理的解释，以后也不可能有。要说放射物在短短的几百年间袭击了一个模糊不清的小星球？这种说法太牵强，不足以提供对宇宙的完整认知。但如果接受了不可能有解释，我们就会从此放弃了。不管黑暗物质这类说法多么牵强，它也是我们这个时代最聪明的大脑构建出来的理论体系。如果我们不放弃、继续钻研这类理论，至少能继续收集数据信息、不断完善对宇宙的认知。那么，子孙后代未来对宇宙的解释，再怎么即兴牵强，也会比我们目前拥有的解释更靠谱一点。
4、精彩回答：
暗物质并不是黑暗不可见的，不过是与我们所处的维度不一样，（它）存在于一个高于我们所见物质的一个更高维度，在一个时间是永恒不变的维度，人如果可以进入那个维度看见是纯洁耀眼光明的,太阳系，地球，月球，乃至银河系，河外星系所有可见物质和可以测到距离，还有能量都在所谓暗物质或是暗能量的依托下，完美有序的存在。所谓的真空并不存在，光子在宇宙高速传播，是有媒介的，有能量的吸收和放出，保持完美的能量守恒，包括热量高低运动等，比如你在铁轨一端敲击，可以在另一端感受震动，暗物质是完美的，不论量子或是能量，都可以及时传入精确的输出。粒子撞击实验是看不到这个过程的，所以要想观测到，在我们所处的维度里是不可能的。打个比方说，一条直线确定不了一个面，一个面可以存在无限条直线，不在一个维度。高维度拥有更有序更完美的更无限的能力，以至于不可测度，时间对与我们的世界更适合称为一种变化推动的力量，而时间之下的我们空间是静止的，时间也是一种推着历史前进的力量，高于时间的维度，有着无限的奥秘。
5、精彩回答：
要弄明白这个问题，首先要清楚暗物质到底是啥。实际上，暗物质和暗能量是科学家根据宇宙中一些用现用理论无法解释的现象而提出的猜想，以使宇宙模型得以自洽。通过观测，科学家发现星系中的某些恒星以及星系团中的某些星系的运转速度与现有的理论并不相符，星系和星系团的质量理应远远超出我们目前所探测到的结果。于是，科学家猜想宇宙中是否还存在某种人类目前还无法探测到的物质，即暗物质。通常，科学家认为暗物质由某种未知的粒子构成，如弱相互作用重粒子（WIMP）就是著名的暗物质粒子候选者。上个世纪九十年代，科学家发现宇宙不仅在膨胀，而且膨胀还在加速。在原有的宇宙模型上来看，这让人倍感困惑，于是提出了暗能量的猜想作为解释。因此，暗物质和暗能量只是科学家根据对宇宙的观测而提出的猜想。至于是否真的存在，会以什么样的形式存在等都不好说。或许，根本就没有所谓的暗物质和暗能量，而背后隐藏着的是某种新的理论。这就好比当年看不见摸不着却风靡科学界的以太一样，背后隐藏着伟大的相对论。科学家对此苦苦追寻这不是天公地道的吗？正所谓朝闻道,夕死可矣,探索未知本来就是科学家的事儿。更何况，这一未知的背后，隐藏着的必是惊天动地的秘密。
热心网友
时间：2023-10-19 15:43
新浪科技讯北京时间4月18日消息，据国外媒体报道，在美国地下深处的一座实验室，科学家发现了可证明暗物质存在的明确迹象。暗物质是一种神秘莫测的物质，据信在宇宙物质中的比重达到四分之一。一直以来，科学家从未直接观测到这种物质。
在建于明尼苏达州一座矿山地下深处的实验室，美国科学家借助实验仪器CDMS(低温暗物质搜寻的英文首字母缩写)搜寻暗物质，最后得出了令人兴奋的研究发现。在设计上，CDMS能够捕获暗物质粒子“撞向”一台探测器内的原子核时发生的罕见交互作用。这台探测器在接近深空的温度环境下运转。
美国物理学会的科学家报告称，他们在实验中发现大质量弱相互作用粒子的信号强度达到3个西格马水平，说明他们发现暗物质的可能性达到99.8%。暗物质是一种神秘莫测的物质，据信将宇宙中的天体聚合在一起。但迄今为止，科学家从未直接观测到这种物质。
德克萨斯州农工大学高能物理学家鲁帕克-玛哈帕塔拉表示：“在高能物理学研究领域，只有观测到5个西格马或者更高的信号水平才能宣布发现一种粒子。这是一项非常令人兴奋的发现，虽然按照这个标准尚无法完全令人信服。我们需要获取更多数据以证实这一发现。暗物质是我们面临的最大谜团之一。现在，我们发现了这个引人注目的线索。”
大质量弱相互作用粒子是一种令人难以捉摸的粒子，极少与正常的物质发生交互作用，因此很难被探测到。科学家认为它们偶尔会从原子核上弹开，留下可以被地下深处的探测器或者太空中的设备观测到的少量能量，例如欧洲核子研究组织的大型强子对撞机这样的粒子对撞机以及国际空间站上的阿尔法磁谱仪。
CDMS座落于明尼苏达州北部索丹矿地下0.5英里(约合800米)，由美国能源部的费米国家加速器实验室负责操作。自2003年以来，这台仪器便开始搜寻暗物质。CDMS采用了非常先进的探测器技术和分析技术，能够将锗和硅目标冷却到零下460华氏度，接近绝对零度，用于搜寻罕见的暗物质粒子反弹现象。
科学家表示他们仍需进行进一步研究，证实他们的发现。玛哈帕塔拉表示：“我们得出的可信度只有99.8%，我们希望能够提高到99.9999%。在3个西格马水平，你不过是发现粒子存在线索。在4个西格马水平，你发现了存在证据。在5个西格马水平，你才真正发现了一种粒子。在医学领域，你可以说自己能治愈99.8%的患者。这没什么关系。但在高能物理学研究领域，如果可信度达到99.8%就声称得出一项发现，你就大错特错了。鉴于这项研究投入的3000万美元经费，我们必须得出更精确的发现。可信度达到99.8%意味着你如果将同样的实验重复进行几百次，可能就有一次出现问题。我们希望将误差率降低到百万分之一。”
研究人员表示世界各地进行的不同实验——例如在国际空间站上进行的实验——正逐渐揭示有关暗物质的更多信息。在提到4种用于搜寻暗物质的实验时，加利福尼亚州大学伯克利分校的伯纳德-萨多莱特表示：“在整个研究领域，我们实际上处于比较良好的形势。我们能够依靠这4种实验寻找和发现可证明暗物质存在的线索。”(孝文)
热心网友
时间：2023-10-19 15:43
什么是暗物质？
先来给大家科普一下：
爱因斯坦根据他的相对论得出推论：宇宙的形状取决于宇宙质量的多少。
他认为：宇宙是有限封闭的。如果是这样，宇宙中物质的平均密度必须达到每立方厘米5×10的负30次方克。但是，迄今可观测到的宇宙的密度，却比这个值小100倍。也就是说，宇宙中的大多数物质“失踪”了，科学家将这种“失踪”的物质叫“暗物质”。
近日，俄罗斯一个科学家团队研究发现，早期宇宙中存在的暗物质可能比如今多。自从宇宙初期以来，一些不稳定的暗物质就已开始逐渐衰变，从组成暗物质的某种形式的粒子变成更轻的粒子。这一发现或将帮助科学家更好地了解宇宙大爆炸后的真实面目。
特卡切夫在一份声明中表示，“现在，我们能够计算出究竟有多少暗物质已消失，以及这些不稳定组成的相应大小。”
