暗物质之谜

　　美国约翰斯霍普金斯大学下属的太空望远镜研究所，借助3年前安装在哈勃太空望远镜上的先进测绘照相机，观察到更远处星系发出的光是在两个星系簇中的暗物质干扰下产生的引力透镜现象，进而通过计算机模拟，得到了暗物质的分布图。
　　暗物质（包括暗能量）被认为是宇宙研究中最具挑战性的谜题，它代表了宇宙中90以上的物质含量，而我们可见的世界只占宇宙物质的10不到。暗物质无法直接观测，却能干扰星体发出的光波或引力等，其存在能被明显感受到。科学家曾对暗物质的特性提出了多种假设，但还没有得到足够的验证。
　　大约20世纪中叶，第一次发现了暗物质存在的证据。当时，弗里兹扎维奇发现，大型星系团中的星系具有极高的运动速度，除非星系团的质量是根据其中恒星数量计算所得到的值的100倍以上，否则星系团根本无法束缚住这些星系。之后几十年的观测分析证实了这一点。尽管对暗物质的性质仍然一无所知，但是到了20世纪80年代，占宇宙能量密度大约20的暗物质已被广为接受了。
　　按照爱因斯坦的广义相对论，在一个仅含有物质的宇宙中，物质密度决定了宇宙的几何，以及宇宙的过去和未来。加上暗能量的话，情况就完全不同了。首先，总能量密度（物质能量密度与暗能量密度之和）决定着宇宙的几何特性。其次，宇宙已经从物质占主导的时期过渡到了暗能量占主导的时期。大约在大爆炸之后的几十亿年中暗物质占了总能量密度的主导地位，但是这已成为了过去。现在我们宇宙的未来将由暗能量的特性所决定，它目前正使宇宙加速膨胀，而且除非暗能量会随时间衰减或者改变状态，否则这种加速膨胀态势将持续下去。不过，我们忽略了极为重要的一点，正是暗物质促成了宇宙结构的形成，如果没有暗物质就不会形成星系、恒星和行星，也就更谈不上今天的人类了。宇宙尽管在极大的尺度上表现出均匀和各项同性，但是在小一些的尺度上则存在着恒星、星系、星系团、巨洞以及星系长城。而在大尺度上能促使物质运动的力就只有引力了。但是均匀分布的物质不会产生引力，因此今天所有的宇宙结构必然源自于宇宙极早期物质分布的微小涨落，而这些涨落会在宇宙微波背景辐射中留下痕迹。然而普通物质不可能通过其自身的涨落形成实质上的结构，而又不在宇宙微波背景辐射中留下痕迹，因为那时普通物质还没有从辐射中脱颖出来。
　　美国约翰斯霍普金斯大学下属的太空望远镜研究所，借助3年前安装在哈勃太空望远镜上的先进测绘照相机，观察到更远处星系发出的光是在两个星系簇中的暗物质干扰下产生的引力透镜现象，进而通过计算机模拟，得到了暗物质的分布图。这两个正在诞生中的星系簇位于南部天穹中，距地球约70亿光年，各拥有约400个星系。
　　图像清楚地显示，我们可见的物质是在暗物质的网络包围中，处于暗物质最密集的地方，就好比海浪顶端的泡沫。他们认为，这支持了暗物质和可见物质会在引力作用下聚集到一起的猜想，即暗物质集中的地方会吸引可见物质，从而帮助恒星、星系和星系簇的形成。
　　分布图还显示暗物质是聚成一簇簇地密集存在。研究人员据此认为，这验证了暗物质粒子是非碰撞粒子的假设，即暗物质粒子如果碰到一起，不会像分子、原子等经典粒子那样发生反弹，而会若无其事地继续原先的运动。研究人员解释说，如果暗物质粒子彼此发生碰撞，那么它们在频繁碰撞后就会分布比较均衡，而不是密集成簇。
　　现在，我们知道暗物质已经成为了宇宙的重要组成部分。同时更重要的是，暗物质主导了宇宙结构的形成。暗物质的本质现在还是个谜，但是如果假设它是一种弱相互作用亚原子粒子的话，那么由此形成的宇宙大尺度结构与观测就相一致。不过，最近对星系以及亚星系结构的分析显示，这一假设和观测结果之间存在着差异，这同时为多种可能的暗物质理论提供了用武之地。通过对小尺度结构密度、分布、演化以及其环境的研究可以区分这些潜在的暗物质模型，为暗物质本性的研究带来新的曙光。