浅谈宇宙构成中的暗物质（下）
2019-11-22 21:29阅读：
文 | 陈思进
我在《浅谈比普通物质多五倍的暗物质（上）》（《科普时报》2019年9月6日第3版）一文最后谈到，瑞士天文学家佛里茨·茨威基教授通过“质光比”（即质量比上光度），发现了宇宙之中一定还有我们看不见的质量。因此，茨威基教授最早给这样看不见的物质起名为“Dark
matter”（暗物质），这就是暗物质之名的由来。
目前，科学家观测到的星系，其质光比几乎全都大于太阳的质光比。而且，通过测量星系的旋转曲线，大多都与银河系差不多，全是在后半段距离中心越远的位置，它的速度不是降下来，而是趋于稳定的。这说明了，如果牛顿理论没问题的话，那么暗物质就是普遍存在的，我们的银河系并不是个例。现在越来越多的观测现象表明，牛顿理论没有问题。
如，2018年，哈勃空间望远镜发现了DF2星系，通过测量这个星系的旋转曲线，科学家发现，这和牛顿理论预言的那样，即先是上升，后半段降下来，说明这个星系可能不存在（或最多存在少量）暗物质；今年4月，科学家又发现了DF4星系，好像也不存在暗物质，表明了牛顿理论确实没错儿，至少能合理地解释一些星系的行为。
不过，也正因如
此，暗物质被科学家越来越被重视了。
那么，如果暗物质真实存在的话，它具有什么特质呢？
能提供引力，因为引入暗物质就是为了解决引力丢失的问题（注：这点和暗能量恰好相反），也就是说暗物质必须要参与引力作用；
看不见，要是能看见就不是“暗”物质了。那为什么看不见呢？科学家猜测那是因为暗物质不参与电磁相互作用，即它本身既不能发光，也不能反光，更不能吸收光，犹如透明一般。
既然暗物质看不见摸不着，科学家有没有办法将它们测试出来呢？
下面就来介绍一下引力透镜效应（Gravitational
Lensing）。
根据广义相对论，当背景光源发出的光在引力场（比如星系、星系团及黑洞）附近经过时，光线会像通过透镜一样发生弯曲。光线弯曲的程度主要取决于引力场的强弱。分析背景光源的扭曲，可以帮助研究中间作为“透镜”的引力场的性质。根据尺度与效果的不同，引力透镜效应可以分为强引力透镜效应和弱引力透镜效应。
从数学角度来分析，面质量密度（k）大于1，被定义为强引力透镜区域，小于1为弱引力透镜区域。在强透镜区域一般可以形成多个背景源的像，甚至圆弧（又称“爱因斯坦环”）。而弱透镜区域则产生比较小的扭曲。强透镜方法通过对爱因斯坦环的曲率和多个像的位置的分析，可以估计测量透镜天体质量；而弱透镜方法通过对大量背景源像的统计分析，可以估算大尺度范围天体质量分布，并被认为是现在宇宙学中最好的测量暗物质的方法。
上述这段话可能比较难以理解，让我打个比方来说明吧。
假如我的手是一个大质量天体，当光线在经过这个大质量天体的时候，就会走一个弧线。前面提到了，根据广义相对论的预言，大质量天体会使得时空产生弯曲，而光行走的又是测地线。所以，看起来就会使光线发生偏折，像一个透镜一样。如果我的这只手在正中间，你们看到的我可能就是一个环——“爱因斯坦环”；也可能出现四个像——“爱因斯坦十字”、也可能出现“爱因斯坦弧”等等。
但问题是，有时我们能够看到远方天体的像，出现一个环了，或者出现十字，我们通过计算就会发现，中间用来成像的这个大质量天体或者星系，往往质量严重不足。如果只有我们看到的这点质量，它是不足以造成如此强烈的引力透镜现象的。
因此，有了引力透镜之后，科学家就可以说，我们找到了证明暗物质存在的直接证据，以及如何测量的方法了。
我们再来猜测一下暗物质粒子是什么：会不会是小黑洞，既看不见，质量又足够大？但是，这似乎是不可能的。因为小黑洞寿命极短，还会爆炸；那么会是相对来说稳定不发光的、密度还极大的天体吗？比如中子星、白矮星？然而，经过科学家的研究之后发现，它们不足以弥补丢失的全部质量，只能弥补极小部分。所以，它们也不能被划分为暗物质。
科学家认为，暗物质粒子只能是标准粒子模型之外的粒子，并且作了预言。根据粒子的运动速度（也就是温度），暗物质分为热暗物质、温暗物质、冷暗物质这三种模型。后来，针对宇宙大尺度结构的研究，倾向于宇宙中主要是冷暗物质的解释。
再顺便提一下，暗物质是当代科学的前沿，还有其他理论的另类解释。如有些弦理论物理学家认为，暗物质可能是弦的高频振动：我们身体的每个原子，都代表了我们全身每一个震动的“皮筋”带来的最低的八度音阶。而这些“皮筋”也可以有更高的音阶，这些更高的八度音阶，很有可能就是暗物质。
那么，在这个宇宙中，超过普通物质5倍的暗物质究竟会是什么呢？目前，就科学家所知而言，WIMP粒子是暗物质粒子的最佳候选。
最后，可以这样说，在暗物质领域里，只要能想出信服、并可实验证实的理论，如解释暗物质的起源、究竟是什么的科学家，将有满满一箩筐的诺贝尔奖在等着你们！加油！
