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什么是暗物質(zhì)?

2010年12月12日，中國首個極深地下“暗物質(zhì)”實驗室投入使用。說起暗物質(zhì)，你可知道什么是暗物質(zhì)呢?

天體物理學研究發(fā)現(xiàn)，在浩瀚的宇宙空間里，我們能夠觀測到的發(fā)光星體(包括發(fā)射X射線、γ射線的星體)的質(zhì)量僅僅只是宇宙空間里物質(zhì)總質(zhì)量的一小部分。還有很大一部分質(zhì)量則來自至今我們還沒有弄清楚的東西。這種視而不見又確實存在的東西，我們稱它為“暗物質(zhì)”。

科學家對暗物質(zhì)的認識可以追溯到20世紀30年代初。1933年，瑞士天文學家茲威基在估算后發(fā)座星系團的總質(zhì)量時，使用了兩種不同的方法：光度法和動力學法。結果用動力學方法算得的質(zhì)量要比用光度法算得的質(zhì)量大400倍!如此巨大的誤差只能有一個解釋：發(fā)光星體的質(zhì)量只是星系團質(zhì)量的一小部分，還有很大一部分質(zhì)量不知哪里去了。于是他把這叫作“短缺質(zhì)量”。

當時這一發(fā)現(xiàn)并未引起重視，直到1978年，一些射電天文學家在系統(tǒng)測量旋渦星系的轉(zhuǎn)動曲線時，發(fā)現(xiàn)離星系中心不同距離處的物體具有相同的線速度。這個觀察結果與人們熟悉的太陽系的情況完全相悖。在太陽系里離中心越遠的行星，線速度越小。這是著名的開普勒定律告訴我們的。而同樣受萬有引力作用產(chǎn)生的星系周圍物體的運動也應該遵循開普勒定律!為此，有科學家提出，只有假設在星系的周圍還存在著暗物質(zhì)，那么觀察到的星系運動才能與開普勒定律的計算結果相吻合。由此，在星系的發(fā)光物體以外，必定還有大量看不見的暗物質(zhì)的觀念逐步為人們所接受。在這種觀點指導下，科學家又發(fā)現(xiàn)了存在暗物質(zhì)的許多證據(jù)。例如1983年發(fā)現(xiàn)距銀河中心20萬光年的R15星，視向速度達465米/秒。要產(chǎn)生如此大的速度，銀河系的總質(zhì)量至少要比發(fā)光區(qū)的質(zhì)量大10倍才行。

另外，科學家在對宇宙起源的理論研究中，也確實感到應該有暗物質(zhì)的存在，才能使他們的理論自圓其說。

那么，暗物質(zhì)究竟是什么呢?對此，科學家有過許多猜想：有人說暗物質(zhì)是彌散在宇宙空間里的氣體，也有人說它是宇宙里的塵埃，還有人猜它是已經(jīng)變暗的“死星”，甚至可能是黑洞。這些猜想雖然都事出有因，但缺乏有力的證據(jù)，未能得到學術界的認同。

在暗物質(zhì)的眾多候選者之中，中微子卻最受到人們的青睞。因為它是宇宙之中已知確實存在，而且數(shù)量極多的一類粒子。特別是1980年，蘇聯(lián)理論與實驗物理研究所宣布了中微子的靜止質(zhì)量可能不等于零后，給人們對中微子與暗物質(zhì)之間的關系帶來了豐富的想像空間。由于中微子數(shù)量極多，即使它的靜止質(zhì)量很微小，其總質(zhì)量仍然相當可觀。此外，大多數(shù)中微子不發(fā)光，只有很弱的電磁作用，等等，這些性質(zhì)使它都很像是暗物質(zhì)。

當然，粒子物理學家還預言了一批新粒子來作為暗物質(zhì)的候選者，如引力微子、光微子、膠微子、Z微子等，可惜這些假設的新粒子至今一個也沒有找到?？磥硪沂景滴镔|(zhì)的廬山真面目，還是一個任重而道遠的課題。

暗物質(zhì)的特性是什么?

暗物質(zhì)是理論上提出的可能存在于宇宙中的一種不可見的物質(zhì)，它可能是宇宙物質(zhì)的主要組成部分，但又不屬于構成可見天體的任何一種目前已知的物質(zhì)。暗物質(zhì)的特性是：

1、暗物質(zhì)參與引力相互作用，所以是有質(zhì)量的，但單個暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量大小還不能確定。

2、暗物質(zhì)應是高度穩(wěn)定的，由于在宇宙結構形成的不同階段都存在暗物質(zhì)的證據(jù)，暗物質(zhì)應該在宇宙年齡(百億年)時間尺度上是穩(wěn)定的。

3、暗物質(zhì)基本不參與電磁相互作用，暗物質(zhì)與光子的相互作用必須非常弱，以至于暗物質(zhì)基本不發(fā)光;暗物質(zhì)也基本不參與強相互作用，否則原初核合成的過程將會受到擾動，輕元素豐度將發(fā)生改變，將導致與當前的觀測結果不一致。

4、通過計算機模擬宇宙大尺度結構形成得知，暗物質(zhì)的運動速度應該是遠低于光速，即冷暗物質(zhì)，否則我們的宇宙無法在引力作用下形成目前觀測到的大尺度結構。