宇宙是(shì)“人为制造”的(de)？为何会存在科学无法解释的“暗(àn)物质”？暗物质又究竟(jìng)是(shì)什么？人类为了(le)寻找暗物质存在的证据(jù)，科学(xué)家们在过(guò)去的(de)几十年当中进行了超过50次的(de)长期实验，但是(shì)却没(méi)有发现任何的(de)有效证据。除了(le)一个地(dì)方，在(zài)1687年(nián)出(chū)版的自然哲(zhé)学数学原理一书中，埃萨(sà)克牛顿发表(biǎo)了(le)万有引力(lì)定律，它(tā)揭(jiē)示了宇宙中天(tiān)体运动的(de)规律。往后的几百年来，当天文(wén)学家们(men)发现某些天(tiān)体(tǐ)运行轨道出现(xiàn)异常，不符(fú)合万有引力定律的时候，他们(men)就(jiù)会知道，周围一定有未(wèi)知的天体通过(guò)引力在摄动它(tā)的轨道。比(bǐ)如(rú)在1846年，奥本勒(lēi)维耶就通过(guò)天王星运行轨道(dào)的异常，推算并且(qiě)发现(xiàn)了海王星的存在(zài)。另外，哈雷(léi)彗星(xīng)、冥王星的(de)发现(xiàn)都(dōu)是应用万有(yǒu)引力(lì)定律所取得重(zhòng)大天文成就的(de)例子(zi)。但是(shì)这些发现都是在恒星系统的尺度当中，可当(dāng)我们上升到(dào)星系或者是星团的尺度，事情就开(kāi)始(shǐ)变得诡异了。

1933年，瑞士的物(wù)理学家弗里茨兹(zī)威基正在研究和测量后发星系团的质量。这是一个由数千个星系(xì)所组成的巨大星系团，这些星(xīng)系被引力束缚在一起。测量星系团的质量一般(bān)会使用到两种方法(fǎ)，当两种方法结果一致，就可以确定其质量的(de)范围。

第一种是获得(dé)其"光度(dù)学的质量"，需要的数据是(shì)测量(liàng)各个星系的光(guāng)度。

第二种是动力学质量的计算，是利用(yòng)光(guāng)谱红移(yí)测量星系(xì)团中的各个星系相对于星系(xì)团的运动速度。当测量结(jié)果出(chū)来(lái)之(zhī)后，兹威(wēi)基彻底(dǐ)懵了(le)，“动力学(xué)质量(liàng)”竟然是(shì)“光度学质(zhì)量”的(de)400倍。这意味着，后(hòu)发座星系团有99%的质量消失(shī)了，或者(zhě)说这99%的质量并不以可见光的形式所存在，我们无法看到。最诡异(yì)的是，在测量速度的(de)过程(chéng)中，兹威(wēi)基发现星系团中很多星系的速度比(bǐ)理论上要快(kuài)得多，按照牛顿的运动学定律，仅靠这些(xiē)可(kě)见(jiàn)星系的质(zhì)量所产生的引(yǐn)力(lì)是无法将它们束缚在星系(xì)团内(nèi)的(de)，它们早(zǎo)就应该被抛出星(xīng)系(xì)团之外了，除非有一种(zhǒng)神秘的力(lì)量在(zài)起作用，这种力量来(lái)源于某(mǒu)种隐形的物质。

据此，兹(zī)维(wéi)基提出了(le)这样部分不可见的暗(àn)质，它不发散光、吸光、反射(shè)光，但是它们却(què)占(zhàn)据着(zhe)宇宙中绝(jué)大部分(fēn)的质量。只是当时的人们对这样(yàng)的一种说法(fǎ)不屑(xiè)一顾。

直到40年之后，“暗物质”这个词才再一次出现(xiàn)。天(tiān)文学(xué)家维拉鲁宾和肯(kěn)特福特在(zài)观测仙女座星系中的恒星(xīng)运动。理论上来说(shuō)，距离中心越(yuè)远(yuǎn)的恒(héng)星在其轨道上的运行速(sù)度就会越(yuè)慢。但是他们观测(cè)的结果却让人感(gǎn)到不(bù)可思议。

随(suí)着(zhe)与中心(xīn)距离的增加，恒星的(de)旋转速(sù)度(dù)几乎(hū)保持(chí)不变(biàn)。可是根(gēn)据牛顿的万(wàn)有引力定律，在(zài)星系当(dāng)中如果没(méi)有足够大的质(zhì)量来吸引它们，这些外(wài)围的恒星早就被甩(shuǎi)到宇(yǔ)宙当中了。基于这(zhè)种现象，科学家们会使用一种相对标准的方(fāng)法(fǎ)来解释暗物质的(de)存在(zài)，这种方(fāng)法就(jiù)是测(cè)量星系当中气体在X轴上(shàng)距离(lí)星(xīng)系中(zhōng)心的距离，以及(jí)在Y轴上气体的旋转速度。如果出现异常的(de)结果(guǒ)，就认为(wèi)是由(yóu)暗物(wù)质的(de)力量进(jìn)入(rù)其中。

于(yú)是科学家们通过射电望远镜测(cè)量了距离星系中(zhōng)心更(gèng)远(yuǎn)距离(lí)的(de)氢元(yuán)素，发现它(tā)们的旋转速度并不符合牛顿的力学定律。我们的(de)太阳系也不例外，太阳(yáng)系位于银河系的第(dì)三悬臂(bì)之上，距离银河(hé)系中心2.6万光(guāng)年(nián)，根据万有引力定(dìng)律进行计算，太阳系的运行速度(dù)应该(gāi)是(shì)160千米/秒，但实际上，太阳系正在以220千米/秒的速度围(wéi)绕银河系旋转，这个实际(jì)速度远远大于理论速(sù)度，那(nà)么(me)产生以(yǐ)上这(zhè)种向(xiàng)心加速(sù)度(dù)的原因很可能(néng)就(jiù)是(shì)存在着(zhe)一种我们看不到的物质，是(shì)这些暗物质的引力效应将星(xīng)系聚(jù)集在了一(yī)起。

也是(shì)从这(zhè)时开始(shǐ)，越来越多的研究人员开(kāi)始相信(xìn)暗物(wù)质的存在。科学家根据星系外恒星轨道的速度，估(gū)算在(zài)星系当中暗物质的质量占整个星系(xì)质量的85%。但是，暗物质(zhì)并(bìng)不是唯一可以解释这个现象的(de)原因。在(zài)一项新的研(yán)究(jiū)当中(zhōng)，科(kē)学家们发现，几(jǐ)乎没有引力效应的遥(yáo)远恒星之间，也会出现速度上(shàng)的微小(xiǎo)差异。另外(wài)，天(tiān)文学家还(hái)发现了一个反常(cháng)的星系，叫(jiào)做Agc114905。这个星系距离地球大约2.5亿光年，大小(xiǎo)和银河系(xì)不多(duō)，但是星系(xì)当(dāng)中(zhōng)存在的(de)恒星数量却只有(yǒu)银河(hé)系的千分之一(yī)。

所以在理论上，该星系必须存在暗(àn)物质，否则(zé)就(jiù)会分崩离析。但是科学家们使用最先进的望远镜(jìng)对(duì)其(qí)进行了40个小时(shí)的详(xiáng)细测量之后(hòu)，发现星系中的恒星运动是可(kě)以用(yòng)正常的物质和(hé)力学定律来(lái)解释的(de)。那(nà)么又有人(rén)提出，也许(xǔ)该(gāi)星系的暗物(wù)质(zhì)，已经被附近的(de)另一个大星系(xì)剥离了。奇(qí)怪的是，它(tā)的附近没有任(rèn)何(hé)星(xīng)系存在(zài)。造成这(zhè)些现象的除(chú)了暗物(wù)质的假说之外(wài)，另一种可能(néng)就(jiù)是人类对(duì)引力(lì)的理解还不够全面，引(yǐn)力很可(kě)能(néng)在不(bù)同(tóng)尺度空间中的工(gōng)作方(fāng)式是不同(tóng)的，这意味着在(zài)行星系尺度中的天体会沿着它们的轨(guǐ)道，按照(zhào)我们所理(lǐ)解的方式运(yùn)动。但是上升到星系和星团的尺度，引力之(zhī)间的相互(hù)作用则是不(bù)同(tóng)的方式。对于在星系团之间的相互作用，科学家还引(yǐn)入了外部场效应的概念，指的是在数百(bǎi)万(wàn)光年的规模上，巨大的质量之间会产生对彼(bǐ)此特殊的效果，这个理论叫(jiào)做MOND蒙德理论。如果MOND蒙德理论成立，这(zhè)意味着我们需要对现在的物理定(dìng)律进行修正(zhèng)，这些发现也让很多人认为(wèi)暗物(wù)质假说(shuō)理论就此终结。但是在(zài)宇宙当中还有关于(yú)暗(àn)物(wù)质存在的其他(tā)的理(lǐ)论证据，这些理论证据是蒙(méng)德理论所没法(fǎ)解释的“引力透镜”。

径向距(jù)离为37亿光(guāng)年的子(zi)弹星系团，由两个碰撞的星(xīng)系团所组成，类似这样的星(xīng)团，它们大部分的普(pǔ)通质(zhì)量都在星系的(de)气体当中。当星(xīng)团(tuán)以1000万公里/小(xiǎo)时发生碰撞(zhuàng)的时候，星际气体的相互作用就会导致温(wēn)度的急(jí)剧升高(gāo)，速度大幅降(jiàng)低。所以在(zài)理论上，在碰撞之后，子(zi)弹星系团(tuán)大部(bù)分的质量将位于所有(yǒu)这(zhè)些(xiē)气体所在的(de)中间区域(yù)。那么(me)我(wǒ)们通过什么来验证它(tā)的(de)质量(liàng)区域到底(dǐ)是(shì)不是集(jí)中在中间(jiān)呢？前不久，詹姆(mǔ)斯韦(wéi)伯太(tài)空(kōng)望远镜(jìng)传回(huí)了宇宙当中第一张全彩的高清照片，在(zài)照(zhào)片中我们可以明显地看到很多星系似乎(hū)被拉伸(shēn)产生了巨大的形变。其实(shí)这些星系本身并不是真(zhēn)的被(bèi)扭曲了，也不(bù)是(shì)韦(wéi)伯望远镜出了(le)什么问题(tí)，而是(shì)这(zhè)样(yàng)极遥远(yuǎn)的天体和我们地球上(shàng)的观测(cè)者之间。被(bèi)一个质量超级巨大的天体遮挡，这个超大质(zhì)量的东(dōng)西的(de)引力(lì)，会使(shǐ)身后更遥远星(xīng)系的光都(dōu)发(fā)生了扭曲(qū)。这个现象就是引力透镜效应。这(zhè)个巨大的天体可能是超大(dà)质量的黑洞或(huò)者是(shì)暗物质。

所(suǒ)以(yǐ)当人(rén)们(men)对子(zi)弹星系团观测的(de)时候，发现它的大质量(liàng)区域并不是在中间，而(ér)是(shì)在两侧(cè)。所以最(zuì)好(hǎo)的解(jiě)释方法就是当星团(tuán)发生(shēng)全部的碰撞时，可(kě)被(bèi)观测到的质量(liàng)气体被卡在了(le)中间，暗物质(zhì)则直接通过了这个区(qū)域，并在两边形成了引力透镜(jìng)。对子弹星系团的引力透镜(jìng)研(yán)究也被认(rèn)为是暗物质存在的迄今为(wèi)止(zhǐ)最(zuì)好的理论证据(jù)。

除此之外(wài)，还(hái)有来(lái)自(zì)宇宙当(dāng)中最(zuì)古老的光(guāng)。从宇宙大(dà)爆(bào)炸开始，38万(wàn)年之(zhī)后，可见光终于可以(yǐ)畅通无(wú)阻地穿越在宇宙当中了。经过了(le)130多亿(yì)年之后，这(zhè)些(xiē)光在宇宙(zhòu)空间背景上(shàng)留下(xià)了(le)各相同性的微(wēi)波辐射。其中(zhōng)红色的部分表示温度(dù)较高的区域，蓝色则表示(shì)相(xiāng)对较(jiào)冷的区(qū)域，但实际上它们(men)之(zhī)间的温差只(zhǐ)有(yǒu)万分之一。

科学家们(men)通过对前(qián)景背景(jǐng)分离(lí)后(hòu)的二值图像进行连通域(yù)提取(qǔ)和标(biāo)记(jì)之(zhī)后发现，如果(guǒ)宇宙(zhòu)当中没有暗物质，图(tú)形看(kàn)起来(lái)不应该是这样(yàng)的，而随着暗物质(zhì)的增加，一些峰值(zhí)的(de)幅度会(huì)减小，才变得看起来“和谐”。为了匹(pǐ)配宇(yǔ)宙微(wēi)波背景辐射的(de)测量值，我们需要的暗物质大约是普通物(wù)质(zhì)的5倍。这个数字与解释星系当中恒星(xīng)运(yùn)动所需(xū)要的暗物质比例是一致的(de)。这(zhè)就意味着。

用了一个简单(dān)的(de)理论(lùn)框架，就很好地解释了(le)很多不同(tóng)的观测结果。而暗物质的本质就是宇宙当中存在着某(mǒu)种类(lèi)型的(de)粒(lì)子，它们不参与任何(hé)其他的电磁作用(yòng)，只(zhǐ)通过引力来(lái)相互作用。所以如(rú)果能够找到这种粒子(zi)的存在，就相当(dāng)于找到了(le)暗物(wù)质存在(zài)的实际证据。这种粒子到(dào)底是什么(me)？科学家(jiā)们(men)已(yǐ)经提出了数十种的假(jiǎ)想目(mù)标(biāo)，而要寻找这(zhè)些(xiē)不同的目标粒(lì)子所需要的(de)实验方(fāng)式也(yě)不(bù)相同(tóng)。在(zài)过去的几十(shí)年当中(zhōng)，人(rén)类为(wèi)了寻(xún)找(zhǎo)这些(xiē)看不见、摸不到，几乎不会与常(cháng)规物质相互作用的(de)“暗物(wù)质”，科(kē)学家(jiā)们已经(jīng)进行了超过50次(cì)的实验，却(què)没有任(rèn)何实质(zhì)性的发现，除了一个地(dì)方，意大利(lì)的格兰萨索山，隶(lì)属于阿尔卑斯山脉。

在山下1400米处的(de)地下矿井(jǐng)当(dāng)中，藏着地球上最大的地学实验室，这个实验室叫“DAMA/LIBRA”。这里(lǐ)有一个三(sān)层楼高的(de)探测器(qì)，一直致力(lì)于寻找暗物质粒子的周期性震荡(dàng)。

自1997年以来(lái)，这里的科(kē)学家声(shēng)称(chēng)观测到了某种信号。经过了20多(duō)年的数据(jù)收集(jí)，人们发现(xiàn)了(le)一个有趣的事情。探测率会在每年(nián)的6月份达到峰值，然后(hòu)在11月(yuè)降(jiàng)到最(zuì)低，而(ér)且在(zài)20年(nián)当中每(měi)年都是一样。一些科学家认(rèn)为这可能是(shì)人类发现暗物(wù)质的(de)第一个直(zhí)接证(zhèng)据。

但是为什么暗物质会产生(shēng)周期(qī)性的年度信(xìn)号(hào)呢(ne)？刚才我们讲了太阳系正在以220公里(lǐ)/秒的速度围绕着银河系进行移动，那么如果(guǒ)暗物质存在(zài)宇宙当(dāng)中(zhōng)，这意味着(zhe)我们也在以(yǐ)这(zhè)样的(de)速度在穿越着暗物质流，这(zhè)个过程中会产生相应(yīng)的振荡，同时地球(qiú)又(yòu)以30公里/秒(miǎo)的(de)速(sù)度围绕太(tài)阳(yáng)进行旋转(zhuǎn)。所以有(yǒu)半年的时间，地(dì)球围绕太阳的方向与(yǔ)太阳环绕银河系的(de)方向是一致的，而另外(wài)半年则与之相(xiāng)反。

而在6月(yuè)份的时候，地(dì)球(qiú)与(yǔ)太阳的方向正好达到完全一(yī)致，这是理论上地球穿(chuān)越暗(àn)物质(zhì)流最(zuì)快的时段。而在11月(yuè)份，又恰(qià)好(hǎo)达到了最慢(màn)值。尽管在实际的(de)情况中(zhōng)，太阳系相(xiāng)对银河(hé)系的平面呈现了60度(dù)的倾斜，但是这(zhè)并不(bù)影响这个(gè)理(lǐ)论的有效性。

因此科学家认为(wèi)这可以(yǐ)用(yòng)来(lái)解(jiě)释，研究人员们所观测到的(de)周期(qī)性(xìng)信(xìn)号(hào)。当然也可能(néng)有其他的情况(kuàng)，造(zào)成这(zhè)种年度周期信号的差异也可能是(shì)温度(dù)、湿度、土壤(rǎng)中的水分、高山(shān)上的积雪(xuě)，甚至连意(yì)大利游客的数量也(yě)符合这个周期(qī)的规律。

所以，科学家们又在南半球(qiú)建立了一个几(jǐ)乎相(xiāng)同的(de)实验室，这(zhè)里的季节与之前的实验室正好相反(fǎn)，而在这里，地(dì)球穿过暗物质流的运动特征和第一个实验室是一样(yàng)的。

因此，如果在这里可以得到相同的信号，就可以成为暗物(wù)质所存(cún)在的非常有力的证据(jù)了。但是由于这(zhè)个实(shí)验室刚(gāng)刚建成不久，所(suǒ)以截至目(mù)前还无法提供(gōng)相应的数据支持。另(lìng)外，在2025年，NASA将会发射一(yī)台新的(de)望远镜，这台太空(kōng)望远镜(jìng)叫做“南希格雷斯罗曼”，它的主镜大小跟(gēn)哈勃望远镜相同，但它的(de)宽视场仪器提供的视野是哈勃红外仪(yí)器的100倍。南希格(gé)雷(léi)斯罗曼太空望远镜其中一个关(guān)键的用途就是探索暗(àn)物质背后的奥秘，对(duì)于探测(cè)的结果，我们只能拭目以待了。费米实验室(shì)粒子(zi)天(tiān)体物理(lǐ)中(zhōng)心的科学家丹琥珀(pò)和贾森斯(sī)特芬研究发现(xiàn)，如果暗物(wù)质(zhì)存在，它们(men)极有可能拥有另(lìng)一种(zhǒng)神秘的效应，这种暗物质效应，会(huì)支持宇宙当中生命的(de)诞生，或者(zhě)说是(shì)生命进化的一个(gè)重要(yào)因素。

如果这一理论得到进一步的证实(shí)，那么遍布宇宙当(dāng)中的暗(àn)物质会不会意(yì)味(wèi)着人类并不孤(gū)单(dān)呢(ne)？或许在宇宙(zhòu)当(dāng)中某个角落(luò)的(de)行(xíng)星上，暗物质正在(zài)通(tōng)过(guò)这样的效应创造生命。当然(rán)，这些推论的(de)大前提是(shì)要先找到暗(àn)物质存在的实(shí)际证(zhèng)据。那么小伙伴们，你(nǐ)们觉(jué)得暗物质(zhì)到(dào)底存不(bù)存在呢？喜欢(huān)请点赞，你(nǐ)的(de)支持是我更新的(de)动力！

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