你有莫得在辩别城市的处所，在夜晚仰望过星空？一朝辩别了灯火通后的城市，夜空仿佛成了一个巨大的黑幕，偌大的苍穹除了几点疏星若有若无，再莫得任何光亮值得让咱们的视野驻留。咱们看到的这些带有光亮的物资，其实即是天地中的恒星、星云或星系，它们齐属于"可见物资"。

但当代科学告诉咱们，天地中偶而通过电磁波信号探伤到的可见物资只占物资总量的   5%，剩下的   95% 齐是不可见的暗物资和暗能量，它们不发光、不反射光，然而却主导着通盘天地的演化。

那么，这些看不见、摸不着，却掌控天地运道的私密物资，到底是什么？让咱们先来揭开暗物资的面纱。

可见物资：咱们看得见的天地

在了解暗物资之前，咱们先来望望咱们老到的可见物资。

浮浅来说，可见物资即是会显着地发光或者反射光的物资。咱们在夜空中看到的各式星体、星云和星系，以及咱们闲居生存中看到的各式物资，齐属于可见物资。它们之是以能"被看见"，是因为它们参与了电磁互相作使劲，这是物理学四大基本互相作使劲中的一种，法则光、电、磁等风光。由于光即是一种电磁波，是以"会发光或反射光"基本上不错与"参与电磁互相作用"划等号。只须一种物资显着地参与电磁互相作用，那它原则上就不错算是可见物资。

要搞明晰这点，咱们不错从原子提及。原子里有电子在不同轨谈之间提醒，不同轨谈上的电子能量不同，因此这些轨谈也叫作念能级。但电子和会常从一个能级跳到另一个能级（这叫作念能级跃迁），此时由于能级之间的能量差，它们在跨越的时期会开释出光粒子，也即是光子。当这些光子干涉咱们的眼睛，或者被千里镜探伤到时，咱们就"看到了"这些原子所在的物体。

不仅恒星、星云等宏不雅天体属于可见物资，就连光本人也属于可见物资。天地中绝大多数的光是以微波布景辐射（CMB）的神志存在的。你不错把它念念象成天地"诞生"不久时留住的"余温"——就像烤箱关掉后还留在空气中的热量。

CMB   光子如今遍布通盘天地，平均散播、无处不在。它们诞生于天地大爆炸后第   38   万年，是咱们能"看到"的最陈旧的光。仅仅跟着天地不停扩张，这些光的波长也被拉长，能量越来越低，大部分变成了咱们眼睛看不到的微波。

是以，即使咱们能看到的天地还是很广博了，它们其实仅仅 5% 的冰山一角。接下来，让咱们走出光亮，探索那掩盖在天地暗影中的另一种存在——暗物资。

暗物资：隐身的天地物资

与可见物资相对的即是暗物资。从界说上说，暗物资是一种确切不发光也不反射光的物资，或者说确切不参与电磁互相作用的物资。咱们之是以知谈它存在，是因为它在天地中的"引力"推崇得相配显着，牵引着星系和星系团的提醒。

暗物资中，咱们最老到的可能要数黑洞了。黑洞是天地中最极点的天体之一，它的引力强到连光齐无法脱逃。这种特色让它变得"昏昧一派"，也妥当"不发光、不反射光"的暗物资界说。

真谛的是，黑洞并不是全齐"千里默"的。根据物理学家霍金忽视的表面，它们不错通过霍金辐射迟缓地开释细微能量，但这种能量极其轻微，远远不及以让咱们径直不雅察。

在天文不雅测中发现黑洞一般是通过盘曲办段已矣的。比如说不雅测黑洞对周围星体运行轨谈的影响，天鹅座 X-1 中的黑洞即是通过这种智力发现的。也不错通过黑洞碰撞产生的引力波信号来发现黑洞，引力波实验组   LIGO   当今已探伤到近百个由黑洞碰撞产生的引力波信号。关于超大质地黑洞，它周围会吸积无数发光的灼热气体，因此不错被射电千里镜不雅测到，大名鼎鼎的黑洞像片即是这样拍摄的。

事件视界千里镜（EHT）合作组拍摄的 M87 星系中心的超大质地黑洞 图片开始：EHT

除此除外，在东谈主类已发现的所有这个词基本粒子当中，中微子亦然一种典型的暗物资。这种粒子不参与电磁互相作用，只参与四大基本互相作用中的引力和弱互相作用，因此它与光子之间莫得任何径直的关联。也恰是因为中微子不参与电磁互相作用，它们与原子发生碰撞的概率相配相配小。具体有多小呢？可能平均每 10 亿个中微子穿过地球，才会有一个碰撞到地球内的某个原子。这即是中微子又被称为"鬼魂粒子"的原因。它就像鬼魂雷同，往返稳固。不外请谨慎，中微子仅仅像鬼魂，并不是鬼魂。

那么，黑洞和中微子即是暗物资的主要构成部分吗？执行上，这两种暗物资加起来，其质地也只稀奇于全部可见物资的 1% 不到。关联词，无数的天文不雅测着力标明，天地中暗物资的总量远不啻那么少，甚而暗物资的总量超越了可见物资的   5   倍！因此势必存在更多东谈主类当今尚未发现的暗物资。那么天体裁家们是如何清楚天地中有这样多暗物资的呢？让咱们从一些闻明的天文不雅测凭证初始谈起。

暗物资的不雅测凭证

暗物资的商讨历史不错记忆到快要一百年前。当时期星系天体裁刚刚兴起，天体裁家们初始意志到咱们所在的星河系并不是天地的全部，在星河系除外还有宽敞其他的星系。正如恒星会在引力的作用下聚合酿成星系，星系之间也会由于引力而结团酿成更大的星系合营构。一个星系团少则包含几十个星系，多则包含几千个星系，它们围绕一个共同的中心提醒，散播区域的半径可达数百万光年。

天体裁家兹威基（F.   Zwicky）和史姑娘（S. Smith）对一些星系团开展不雅测后发现，根据星系团的发光情况推算出的星系团质地（光度质地）要远小于根据它里面的星系提醒速率推算出的质地（能源学质地）。由于光度质地只可反应星系团中发光物资的质地，而能源学质地反应的是星系团的引力，因此这一不雅测着力施展星系团中的绝大多数物资是不发光的，但咱们能通过其显贵的引力效应来感知它们的存在。这即是暗物资最早的不雅测凭证。

星系团是由数百到数千个受引力经管的星系构成的结构。图库版权图片，转载使用可能激勉版权纠纷

暗物资的第二项不雅测凭证来自于星系旋转弧线。它是指星系中不同位置处的恒星绕星系中心旋转的速率   v   与它们的旋转半径   r   之间的函数关连弧线   v ( r ) . 在天文不雅测上，测量星系中无数恒星的位置和速率就不错绘图出这条函数弧线。而在表面上，要是知谈星系的质地散播，也不错根据引力表面去筹画出这条函数弧线。

1970 年，天体裁家鲁宾（V. Rubin）和福特（K. Ford）测量并绘图出了青娥星系的旋转弧线。他们发现，星系旋转弧线在远距离处会趋于平坦，就像下图的白色弧线所示。而根据星系中的可见物禀赋量散播，通过引力表面筹画出的星系旋转弧线却是图中红色弧线。表面值与执行测量值在远距离处存在相配大的不合，反应出离星系中心较远的恒星的执行提醒速率比根据可见物禀赋量推导出的表面速率要快许多。

星系旋转弧线暗意图 图片开始：earthsky.org

天体裁家们发现大多数星系的旋转弧线测量值齐会在远距离处宏大于表面值。这意味着什么呢？根据高中物理学问，天体旋转的轨谈半径调换期，转速越快，就需要越强的引力手脚向心力来将天体经管住。是以，要是星系的引力仅由可见物资提供，那么在星系外围只好妥当红色弧线预言的低速提醒的恒星才能被经管在星系中，那些高速提醒的恒星将会由于离心作用而被甩出星系。昭彰，这种离谱的事情并莫得发生，高速提醒的恒星也切实地被厚实经管在星系之中。因此，天体裁家们判断星系中不仅有可见物资，还存在无数不可见的暗物资，它们诱惑着星系外围的恒星，为恒星高速旋转提供了充足的引力手脚向心力。

暗物资的第三项不雅测凭证来自于引力透镜效应。这是广义相对论预言的一种天文风光。在广义相对论中，时空会被大质地天体所攻击，后光在经由这些天体周围时旅途会发生偏折，就像经由了一个透镜雷同。由于星系团的质地相配大，是以它们的引力透镜效应充足热烈，偶而被哈勃千里镜不雅察到。根据引力透镜效应的不雅测数据，天体裁家们不错反推出星系团的质地散播，从而笃定其中暗物资的散播。

由哈勃千里镜拍摄到的引力透镜（环状结构，它们即是因引力而发生偏折的后光） 图片开始：NASA

2006 年，一项针对枪弹星系团的商讨着力发布。天体裁家们通过枪弹星系团的引力透镜效应推算出了它的质地散播，然后根据它辐射的 X 射线信号推算出了星系团中可见物资的散播。如下图所示，图中红色部分是由 X 射线信号反应出的枪弹星系团中可见物资的散播，蓝色部分则是由引力透镜效应反推出的星系团总质地散播，不错看到二者是不重合的。这施展可见物资执行上并弗成主导星系团的质地，它们只占星系团总物资的一小部分，星系团的大部分质地是由不可见的暗物资提供的。

枪弹星系团的总质地散播（蓝）和可见物资散播（红）图片开始：NASA

暗物资还有一项迫切的不雅测凭证来自于   CMB 各向异性的测量。前边咱们说过，CMB 是散播在通盘天地中的摆脱穿梭的光子。把探伤卫星瞄准天外的各个标的，就不错接收到这些   CMB，然后像画宇宙舆图雷同画出   CMB   在通盘天外或者说天球上的散播，如下图所示。不错看到 CMB   在有的方进取密集一些，有的方进取寥落一些，这叫作念 CMB 的各向异性。

天地微波布景辐射（CMB）在天外各个标的的散播。图中暖色为辐射密度高的标的，冷色为辐射密度低的标的 图片开始：Planck   collaboration

通过数学技巧不错把不雅测到的   CMB   的天球散播按照球谐函数张开，获取一个各向异性谱函数，如下图所示。这和暗物资有什么关连呢？执行上，根据当代天地学的表面和模子，咱们不错推导出这个函数。表面推导出的函数图像与许多天地学参数有计划，这其中就包括天地中各式物资组分的占比。缔造不同的物资组分占比不错获取不同的函数图像。天地学家们发现，当缔造天地中可见物资、暗物资、暗能量的占比分散为   5%、26%、69% 的时期，就不错将表面推导出的函数弧线与执行不雅测到的各向异性谱最好拟合。而要是不引入暗物资和暗能量，那么不管如何也解说不了不雅测到的各向异性谱。因此，这个着力阐发了暗物资和暗能量的存在。

天地微波布景辐射（CMB）的各向异性谱，它反应了各个角分辨率上 CMB 的涨落幅度。横轴 l 被界说为 180 ° 除以角分辨率，纵轴数字越大浮现这个角分辨率下的涨落幅度越强。图片开始：NASA

暗物资可能是什么？

前边咱们说过，像中微子、大质地黑洞这些已知的暗物资的总量与可见物资比拟是相配少的，可能还不到可见物资的 1%，然而 CMB 各向异性谱的测量着力却告诉咱们天地中暗物资的占比是可见物资的 5 倍多。是以，绝大多数暗物资齐是东谈主类尚未清楚的物资组分。

暗物资可能是什么呢？一种被平庸沟通的可能性是未知的粒子。东谈主类当今已发现的微不雅粒子种类相配多。但其中偶而厚实存在的只好电子、光子、中微子、质子以及原子核内的中子。其他粒子的寿命齐相配短，会在产生后很快衰变，因此不可能手脚暗物资。

为了解说暗物资，表面物理学家们从基本表面开赴构建了许许多多可能的暗物资粒子模子，包括超对称粒子、轴子、惰性中微子、暗光子等等。为了寻找这些未知的粒子，实验物理学家们也针对不同的表面模子瞎想了许多种实验有筹划，主要包括深地实验、空间卫星实验还有粒子对撞机实验等。不外它们齐莫得发现显贵的暗物资信号。

可能有的读者会感到猜疑，难谈咱们的天地中不存在未知的粒子吗？并不是。执行上，东谈主类当今所能已矣的实验精度十分有限，只偶而作念到放手暗物资物理参数限制的一小部分。还有更多的参数限制是现时的实验难以企及的，暗物资粒子的信息可能就掩盖在其中的某个边缘。

中国锦屏地下实验室暗意图，暗物资探伤实验 CDEX、PandaX 在这里开展 图片开始：中国锦屏地下实验室

另一种可能的暗物资是原初黑洞。之前咱们提到的黑洞齐是由恒星坍缩而来的大质地黑洞，它们的质地无一例外齐超越了奥本海默极限（约 2 倍太阳质地）。关联词，黑洞不仅不错从恒星坍缩而来。在天地刚诞生，恒星还不存在的时期，天地中可能存在热烈的密度涨落，也即是说某些区域的物资密度小一些，某些区域的物资密度大一些。从概率上讲，会存在一些物资密度极端大的区域，这些区域中的物资甚而不错在引力的作用下径直坍缩酿成黑洞，这即是所谓的原初黑洞。

原初黑洞的质地可能很小，远低于咱们老到的恒星物化后酿成的黑洞。这种小黑洞，防碍易被咱们不雅测到，但表面上它们不错无数存在，构成暗物资的大部分。然而当今的不雅测也莫得找到原初黑洞的"径直凭证"。一些数据甚而还是放手了它们在某些质地限制内的存在。将来，还需要更多精准的不雅测来考据这个猜念念。

有计划暗物资的故事到此告一段落。咱们看到，这种私密物资在宏不雅上展现出了强劲的引力效应，足以主导星系、星系团的提醒。而在微不雅上，它却暗暗隐去了身影，连当今最智谋的探伤器齐无法捕捉到它的陈迹。念念要论说暗物资的物理骨子，东谈主类可能还有很长的路要走。

筹谋制作

出品丨科普中国

作家丨王清扬 中国科学院大学表面物理博士

监制丨中国科普博览

审校丨徐来、林林

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