关于暗物质的11个最大的悬而未决的问题

在1930年代，一位名叫弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）的瑞士天文学家注意到，遥远星系团中的星系相互绕行的速度比它们所拥有的可见质量要快得多。 他提出，一种看不见的物质，他称之为暗物质，可能会在这些星系上受到引力的拉扯。

从那时起，研究人员已经证实，这种神秘的物质在整个宇宙中都可以找到，而且它的含量是构成恒星和人等普通物质的六倍。 然而，尽管在整个宇宙中看到了暗物质，但科学家们大多仍在为它挠头。 以下是关于暗物质的11个最大的悬而未决的问题。

什么是暗物质？

首先，也许最令人困惑的是，研究人员仍然不确定暗物质到底是什么。 最初，一些科学家推测宇宙中缺失的质量是由小的暗淡恒星和黑洞组成的，尽管详细的观测还没有发现足够多的此类物体来解释暗物质的影响，正如美国能源部费米实验室的物理学家唐·林肯（Don Lincoln）之前为《生活科学》所写的那样.目前暗物质地幔的主要竞争者是一种假设的粒子，称为弱相互作用大质量粒子（WIMP），它的行为有点像中子，但比质子重10到100倍，正如林肯所写的那样。 然而，这个猜想只导致了更多的问题——例如……

我们能探测到暗物质吗？

如果暗物质是由WIMP构成的，它们应该就在我们周围，看不见，几乎无法探测到。 那么为什么我们还没有找到呢？ 虽然它们不会与普通物质发生太多相互作用，但暗物质粒子在穿越太空时总是有轻微的机会撞击质子或电子等正常粒子。 因此，研究人员建立了一个又一个的实验来研究地下深处的大量普通粒子，在那里它们被屏蔽，免受可能模仿暗物质-粒子碰撞的干扰辐射。 问题是什么？ 经过几十年的搜索，这些探测器中没有一个有可信的发现。 今年早些时候，中国的PandaX实验报告了最新的WIMP未检测到。 暗物质粒子似乎比WIMP小得多，或者缺乏使它们易于研究的特性，加州大学河滨分校的物理学家Hai-Bo Yu当时告诉Live Science。

暗物质是否由多个粒子组成？

普通物质由质子和电子等日常粒子组成，以及中微子、μ子和介子等更奇特的粒子。因此，一些研究人员想知道，占宇宙中85%物质的暗物质是否也同样复杂。“没有充分的理由假设宇宙中的所有暗物质都是由一种粒子构成的，”哈佛大学的物理学家安德烈·卡茨（Andrey Katz）对Live Science的姊妹网站 Space.com 说。卡茨说，暗质子可以与暗电子结合形成暗原子，产生与可见世界中发现的一样多样化和有趣的构型。虽然这些提议越来越多地在物理实验室中被想象出来，但迄今为止，科学家们还没有找到一种方法来证实或否认它们。[奇怪的夸克和μ介子，天哪！解剖自然界最微小的颗粒]

黑暗势力存在吗？

除了额外的暗物质粒子外，暗物质也有可能经历类似于常规物质所感受到的力。一些研究人员已经搜索了“暗光子”，这就像产生电磁力的正常粒子之间交换的光子，只是只有暗物质粒子才能感觉到它们。正如Live Science之前报道的那样，意大利的物理学家正准备将一束电子及其反粒子（称为正电子）粉碎成钻石。如果暗光子确实存在，电子-正电子对可以湮灭并产生一种奇怪的载力粒子，从而可能打开宇宙的一个全新区域。

暗物质可以由轴子组成吗？

随着物理学家越来越不爱WIMP，其他暗物质粒子开始受到青睐。其中一个主要的替代品是一种被称为轴子的假想粒子，它将非常轻，可能只有10次方，质量比质子小31次方。现在，在一些实验中正在寻找轴子。最近的计算机模拟提出了这些轴子可能形成类似恒星的物体的可能性，这可能会产生可探测的辐射，这与被称为快速射电暴的神秘现象非常相似，正如Live Science先前报道的那样。

暗物质的性质是什么？

天文学家通过它与普通物质的引力相互作用发现了暗物质，这表明这是它在宇宙中存在的主要方式。但是，当试图理解暗物质的真正本质时，研究人员几乎没有什么可做的。根据一些理论，暗物质粒子应该是它们自己的反粒子，这意味着两个暗物质粒子在相遇时会相互湮灭。自2011年以来，国际空间站上的阿尔法磁谱仪（AMS）实验一直在寻找这种湮灭的迹象，并且已经检测到数十万个事件。科学家们仍然不确定这些是否来自暗物质，而且该信号尚未帮助他们确定暗物质到底是什么。

暗物质存在于每个星系中吗？

由于暗物质比普通物质重得多，因此通常被认为是组织星系和星系团等大型结构的控制力。因此，今年早些时候，天文学家宣布他们发现了一个名为NGC 1052-DF2的星系，该星系似乎几乎不含任何暗物质，这很奇怪。“暗物质显然不是形成星系的必要条件，”耶鲁大学的Pieter van Dokkum当时告诉 Space.com。然而，今年夏天，一个单独的团队发布了一项分析，表明van Dokkum的团队错误地测量了到银河系的距离，这意味着它的可见物质比最初的发现要暗淡得多，而且它的质量比以前建议的要多得多。

DAMA/LIBRA的结果是怎么回事？

粒子物理学中一个长期存在的谜团是欧洲一项名为DAMA/LIBRA的实验的令人费解的结果。这个探测器位于意大利Gran Sasso山下方的一个地下矿井中，一直在寻找暗物质粒子的周期性振荡。当地球绕太阳轨道移动时，这种振荡应该产生，同时穿过我们太阳系周围的银河系暗物质流，有时称为暗物质风。自1997年以来，DAMA/LIBRA一直声称看到了这个信号，尽管没有其他实验看到过类似的东西。

暗物质会带电荷吗？

来自时间之初的信号导致一些物理学家认为暗物质可能带有电荷。波长为21厘米的辐射是由宇宙婴儿期的恒星发出的，距离大爆炸仅1.8亿年。然后它被同时存在的冷氢吸收。当今年2月检测到这种辐射时，它的特征表明氢气比科学家预测的要冷得多。哈佛大学的天体物理学家朱利安·穆尼奥斯（Julian Muñoz）假设，带电荷的暗物质可能会从无处不在的氢中带走热量，有点像漂浮在柠檬水中的冰块，正如他当时告诉Live Science的那样。但这一猜想尚未得到证实。

普通粒子会衰变成暗物质吗？

中子是寿命有限的常规物质粒子。大约 14.5 分钟后，从原子中解脱出来的孤中子将衰变成质子、电子和中微子。但是，根据《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志7月份的一项研究中引用的实验，两种不同的实验装置对这种衰变的寿命略有不同，它们之间的差异约为9秒。今年早些时候，物理学家提出，如果在1%的时间里，一些中子衰变成暗物质粒子，就可以解释这种异常现象。来自新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室的克里斯托弗·莫里斯（Christopher Morris）和他的团队监测了中子的信号，该信号可能是暗物质，但无法检测到任何东西。根据这项研究，他们认为其他衰变情况可能仍然是可能的。

暗物质真的存在吗？

鉴于科学家在试图探测和解释暗物质时面临的困难，一个理性的提问者可能会怀疑他们是否做错了。多年来，少数物理学家一直在推动这样一种观点，即也许我们的引力理论是不正确的，而且基本力在大尺度上的作用与我们预期的不同。这些建议通常被称为“修正牛顿动力学”或MOND模型，假设没有暗物质，并且恒星和星系相互旋转的超快速度是引力以令人惊讶的方式表现的结果。“暗物质仍然是一个未经证实的模型，”物理学家唐·林肯（Don Lincoln）在Live Science的解释中写道。然而，批评者尚未说服更广泛的领域相信他们的想法。最新的证据呢？这也表明暗物质是真实的。