在20世紀30年代，一位名叫弗里茨·齊維基的瑞士天文學家注意到，一個遙遠的星系團中的星系相互繞行的速度比它們所擁有的可見質(zhì)量所能解釋的要快得多。他提出了一種看不見的物質(zhì)，他稱之為暗物質(zhì)，可能是通過引力作用拉扯著這些星系。從那時起，研究人員已經(jīng)證實了這種神秘的物質(zhì)可以在宇宙中隨處找到，而且它比構(gòu)成普通物體（如恒星和人類）的正常物質(zhì)要多六倍。然而，盡管在宇宙中看到了暗物質(zhì)，科學家們對它還是一知半解。
暗物質(zhì)是什么？
首先，也許是最令人困惑的是，研究人員還不確定暗物質(zhì)到底是什么。最初，一些科學家推測宇宙中缺失的質(zhì)量是由小型暗淡的恒星和黑洞組成的，但是詳細的觀測并沒有發(fā)現(xiàn)足夠多的這樣的物體來解釋暗物質(zhì)的影響。
目前暗物質(zhì)最有可能的候選者是一種假想的粒子，叫做弱相互作用的大質(zhì)量粒子（WIMP），它的行為有點像中子，只不過比質(zhì)子重10到100倍，正如林肯所寫的那樣。然而，這種推測只會引出更多的問題
我們能探測到暗物質(zhì)嗎？
如果暗物質(zhì)是由WIMP組成的，它們應該無處不在，隱形而且很難檢測。那么我們?yōu)槭裁催€沒有發(fā)現(xiàn)它們呢？雖然它們與普通物質(zhì)的相互作用很少，但總是有一些微小的可能性，暗物質(zhì)粒子在穿越空間時會撞到一個正常的粒子，比如質(zhì)子或電子。因此，研究人員建造了一個又一個實驗，深入地下研究大量的普通粒子，它們被屏蔽在干擾輻射之外，這種輻射可能模仿暗物質(zhì)粒子的碰撞。問題是什么呢？經(jīng)過幾十年的尋找，沒有一個探測器發(fā)現(xiàn)了可靠的證據(jù)。今年早些時候，中國的PandaX實驗報告了最新的WIMP未檢測結(jié)果?？雌饋戆滴镔|(zhì)粒子可能比WIMP小得多，或者缺乏讓它們?nèi)菀籽芯康男再|(zhì)。
暗物質(zhì)是由一種還是多種粒子組成的？
普通物質(zhì)是由質(zhì)子和電子等日常粒子，以及中微子、μ子和π介子等更多奇特粒子組成的。因此，一些研究人員想知道暗物質(zhì)，它占據(jù)了宇宙中85%的物質(zhì)，是否也同樣復雜。哈佛大學的物理學家安德烈·卡茨說：“沒有充分的理由假設宇宙中所有的暗物質(zhì)都是由一種類型的粒子構(gòu)成的?！笨ù恼f，暗質(zhì)子可以與暗電子結(jié)合形成暗原子，產(chǎn)生與可見世界一樣多樣和有趣的配置。雖然這樣的設想在物理實驗室中越來越多地被想象出來，但找到一種方法來證實或否定它們目前還是讓科學家們束手無策。
暗力是否存在？
除了暗物質(zhì)的額外粒子，還有一種可能性是暗物質(zhì)經(jīng)歷了類似于普通物質(zhì)感受到的力。一些研究人員尋找“暗光子”，它們就像正常粒子之間交換的產(chǎn)生電磁力的光子，只不過它們只能被暗物質(zhì)粒子感受到。正如《生活科學》網(wǎng)站之前報道的那樣，意大利的物理學家們正在準備將一束電子和它們的反物質(zhì)——正電子，撞擊一個鉆石。如果暗光子真的存在，電子-正電子對可以湮滅并產(chǎn)生一個奇怪的力載體粒子，可能打開一個全新的宇宙領(lǐng)域。
暗物質(zhì)是否可能由軸子組成？
這是一個很有趣的問題，因為軸子是一種假想的粒子，它不僅可以解決強CP問題，還可以作為暗物質(zhì)的候選者。隨著物理學家們對WIMP的信心下降，軸子開始受到更多的關(guān)注。軸子的質(zhì)量非常輕，可能比質(zhì)子小10的31次方倍。目前有一些實驗正在尋找軸子的存在。最近的計算機模擬提出了一種可能性，即這些軸子可以形成類似恒星的物體，它們可能會產(chǎn)生可探測的輻射，這種輻射與神秘現(xiàn)象——快速射電暴很相似
暗物質(zhì)的性質(zhì)是什么？
這是一個很好的問題，因為暗物質(zhì)是宇宙中最神秘的成分之一。天文學家通過暗物質(zhì)與普通物質(zhì)的引力相互作用發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)，這表明這是它在宇宙中表現(xiàn)自己的主要方式。但是當試圖理解暗物質(zhì)的真實本質(zhì)時，研究人員幾乎沒有什么線索。根據(jù)一些理論，暗物質(zhì)粒子應該是它們自己的反粒子，這意味著兩個暗物質(zhì)粒子在相遇時會相互湮滅。國際空間站上的阿爾法磁譜儀（AMS）實驗自2011年以來一直在尋找這種湮滅的跡象，并已經(jīng)檢測到數(shù)十萬次事件?？茖W家們還不確定這些是否來自暗物質(zhì)，而且這個信號還沒有幫助他們確定暗物質(zhì)到底是什么。
目前，關(guān)于暗物質(zhì)的性質(zhì)，我們只能做出一些基本的假設和推測。例如，我們認為暗物質(zhì)：
占據(jù)了宇宙中85%的物質(zhì)，但只占據(jù)了26.8%的總能量密度3。
不與電磁場相互作用，也就是說，它不吸收、反射或發(fā)射電磁輻射，因此很難探測2。
可能由一種或多種未知的粒子組成，比如WIMP、軸子或暗光子等。
可能存在于其他維度中，或者與暗能量有某種聯(lián)系或統(tǒng)一的理論。
可能影響黑洞、恒星和行星，甚至生命的形成和演化。
當然，這些都只是一些可能性，并沒有得到確鑿的證據(jù)。要揭開暗物質(zhì)的真相，我們還需要進行更多的實驗和觀測。
暗物質(zhì)是否存在于每個星系中？
這是一個很有趣的問題，因為暗物質(zhì)是宇宙中最神秘的成分之一。暗物質(zhì)的質(zhì)量遠遠超過普通物質(zhì)，因此暗物質(zhì)通常被認為是控制星系和星系團等大型結(jié)構(gòu)形成的主導力量。所以，當今年早些時候，天文學家宣布他們發(fā)現(xiàn)了一個幾乎不含暗物質(zhì)的星系——NGC 1052-DF2時，這讓人感到很奇怪。耶魯大學的Pieter van Dokkum說：“暗物質(zhì)顯然不是形成星系的必要條件?！?/p>
然而，在今年夏天，另一個團隊發(fā)表了一篇分析，認為van Dokkum的團隊誤測了這個星系的距離，這意味著它的可見物質(zhì)比第一次發(fā)現(xiàn)的要暗淡和輕很多，而且它的更多質(zhì)量是由暗物質(zhì)組成的。
因此，目前還沒有確鑿的證據(jù)表明有沒有不含暗物質(zhì)的星系。大多數(shù)星系都被認為含有暗物質(zhì)，而且暗物質(zhì)在星系中起著重要的作用。例如，暗物質(zhì)可以幫助星系保持穩(wěn)定和旋轉(zhuǎn)，也可以影響星系之間的相互作用和演化。如果沒有暗物質(zhì)，我們看到的宇宙可能會完全不同。
DAMA/LIBRA實驗的結(jié)果是什么？
這是一個很有趣的問題，因為DAMA/LIBRA實驗是粒子物理學中一個長期的謎團。這個探測器位于意大利格蘭薩索山下的一個地下礦井中，它一直在尋找暗物質(zhì)粒子的周期性振蕩。這種振蕩應該是由于地球在繞太陽運行的同時，穿越了環(huán)繞我們太陽系的暗物質(zhì)流（有時被稱為暗物質(zhì)風）而產(chǎn)生的。自1997年以來，DAMA/LIBRA實驗聲稱看到了這樣的信號，但是沒有其他實驗看到過類似的現(xiàn)象。
要了解這個謎題，我們需要先了解一下暗物質(zhì)是什么。暗物質(zhì)是一種神秘的物質(zhì)，它不發(fā)光也不反射光，但它卻有著巨大的引力，影響著可見物質(zhì)的運動。天文學家認為大多數(shù)星系都被一個看不見的暗物質(zhì)光環(huán)包圍著，就像一個隱形的氣球一樣。這些暗物質(zhì)光環(huán)的形狀和大小可以影響氫環(huán)的位置和運動，因此通過觀測氫環(huán)，我們可以推斷出暗物質(zhì)光環(huán)的性質(zhì)。
如果暗物質(zhì)是由一種或多種未知的粒子組成的，那么它們應該與普通物質(zhì)有一定的相互作用，雖然很微弱。因此，一些實驗試圖在地下深處探測大量的普通粒子，尋找暗物質(zhì)粒子與之碰撞的跡象。DAMA/LIBRA實驗就是其中之一，它使用了鈉碘化晶體作為探測器。
DAMA/LIBRA實驗聲稱發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)粒子與鈉碘化晶體碰撞事件率的年度變化。這種變化被認為是由于地球和銀河系暗物質(zhì)暈之間相對速度的變化引起的，因為地球在繞太陽運行時會有季節(jié)性的速度差異。這就像我們在風中騎自行車時感受到風速不同一樣。DAMA/LIBRA實驗認為這種變化是由于暗物質(zhì)風吹過鈉碘化晶體而造成的。
然而，這個結(jié)果并沒有得到其他實驗的支持。許多其他使用不同目標材料或探測技術(shù)的實驗都沒有發(fā)現(xiàn)任何類似的信號，而且有些實驗甚至排除了DAMA/LIBRA實驗所偏好的參數(shù)空間。
暗物質(zhì)是否有電荷？
這是一個很有趣的問題，因為暗物質(zhì)是一種神秘的物質(zhì)，它不發(fā)光也不反射光，但它卻有著巨大的引力，影響著可見物質(zhì)的運動。天文學家認為大多數(shù)星系都被一個看不見的暗物質(zhì)光環(huán)包圍著，就像一個隱形的氣球一樣。這些暗物質(zhì)光環(huán)的形狀和大小可以影響氫環(huán)的位置和運動，因此通過觀測氫環(huán)，我們可以推斷出暗物質(zhì)光環(huán)的性質(zhì)。
目前，我們對暗物質(zhì)的性質(zhì)還知之甚少。我們只能做出一些基本的假設和推測。例如，我們認為暗物質(zhì)：
占據(jù)了宇宙中85%的物質(zhì)，但只占據(jù)了26.8%的總能量密度。
不與電磁場相互作用，也就是說，它不吸收、反射或發(fā)射電磁輻射，因此很難探測。
可能由一種或多種未知的粒子組成，比如WIMP、軸子或暗光子等。
可能存在于其他維度中，或者與暗能量有某種聯(lián)系或統(tǒng)一的理論。
可能影響黑洞、恒星和行星，甚至生命的形成和演化。
然而，有些物理學家提出了一個更大膽的想法：暗物質(zhì)可能有電荷。這個想法是由于一種來自時間之初的信號而產(chǎn)生的。這種信號是由波長為21厘米的輻射組成的，它是由宇宙初期（大爆炸后約1.8億年）的恒星發(fā)出的。然后它被當時存在的冷氫吸收了。當這種輻射在今年二月被探測到時，它的特征表明氫比科學家預測的要冷得多。哈佛大學的天體物理學家朱利安·穆尼奧斯假設，有電荷的暗物質(zhì)可能從無處不在的氫中帶走了熱量，就像冰塊漂浮在檸檬水中一樣。但是這個假設還沒有得到證實。
如果暗物質(zhì)真的有電荷，那么它可能會與普通物質(zhì)產(chǎn)生更強烈和復雜的相互作用。這可能會對我們對宇宙結(jié)構(gòu)和演化的理解產(chǎn)生重大影響。
普通粒子能否衰變成暗物質(zhì)？
中子是有限壽命的普通物質(zhì)粒子。在大約14.5分鐘后，一個脫離原子的孤立中子會衰變成一個質(zhì)子、一個電子和一個中微子。但是兩種不同的實驗裝置給出了稍微不同的衰變壽命，根據(jù)《物理評論快報》雜志7月份的一項研究，它們之間的差異大約是9秒。今年早些時候，物理學家們提出，如果1%的時間，一些中子衰變成暗物質(zhì)粒子，那么就可以解釋這個異常。來自新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室的克里斯托弗·莫里斯和他的團隊監(jiān)測了中子的信號，尋找可能是暗物質(zhì)的跡象，但是沒有探測到任何東西。他們在研究中提出，其他衰變情況可能仍然有可能。
暗物質(zhì)是否真的存在？
鑒于科學家們在探測和解釋暗物質(zhì)方面遇到的困難，一個合理的提問者可能會懷疑他們是否走錯了路。多年來，一小部分物理學家一直在推動一種觀點，即我們對引力的理論可能是錯誤的，而這種基本力在大尺度上的作用方式與我們預期的不同。這些觀點通常被稱為“修正牛頓動力學”或MOND模型，它們認為沒有暗物質(zhì)，而恒星和星系以超快速度相互繞行的現(xiàn)象是由于引力以驚人的方式表現(xiàn)出來的結(jié)果。物理學家唐·林肯寫道：“暗物質(zhì)仍然是一個未經(jīng)證實的模型。”然而，反對者們還沒有說服更廣泛的領(lǐng)域接受他們的觀點。而最新的證據(jù)呢？它也表明暗物質(zhì)是真實的。
有許多不同的角度證實了暗物質(zhì)的存在，例如星系動力學和形成、引力透鏡、宇宙微波背景輻射，以及對可觀測宇宙當前結(jié)構(gòu)、星系的形成和演化、星系碰撞時的質(zhì)量位置、以及星系團內(nèi)星系的運動的天文觀測。這些觀測都不能用廣義相對論來解釋，除非存在比可見物質(zhì)更多的物質(zhì)。暗物質(zhì)到底是什么，目前還是一個謎。它可能是由一種或多種未發(fā)現(xiàn)的亞原子粒子組成的，比如弱相互作用大質(zhì)量粒子（WIMP）或軸子。也有可能是由原始黑洞組成的。許多實驗正在直接探測和研究暗物質(zhì)粒子，但都沒有成功。
