用什麼先進儀器能看到暗物質

『壹』 科學家通過八款新四重鏡頭揭示了暗物質的溫度

暗物質可能是我們宇宙中最神秘的組成部分之一，自20世紀30年代首次提出以來，一直未能直接探測。盡管其存在的天體物理學證據是壓倒性的——從旋轉的星系、星系團運動中、大規模結構形成、碰撞星系群、宇宙微波背景等，但遺憾的是我們不知道它的真實性質是什麼。

研究暗物質的最好方法之一是通過它的引力效應，特別是在極端環境中：愛因斯坦的廣義相對論做出不同於牛頓引力的獨特預測。強烈的引力透鏡，我們和遙遠源之間的干涉質量產生扭曲，放大，和多個圖像的目標，是天體的最佳探測方法之一。隨著一套由8個強透鏡、四重圖像系統組成的新系統，科學家們正在以前所未有的形式了解暗物質的特性。

在愛因斯坦的廣義相對論中，與牛頓古老的引力理論不同，引起我們感知到的引力的不是質量之間的無形引力，而是物質與能量與時空之間的關系。物質和能量的存在使空間的結構扭曲，扭曲的空間影響宇宙中的一切，包括穿過這個空間的光。

每當有足夠大的彎曲空間時，它都會以一系列迷人的方式影響穿過該區域的光線。與平面空間（光線必須始終在兩點之間的直線路徑中移動）不同，曲線空間的存在，意味著可以採取多條路徑來連接空間中的兩個點。如果對齊絕對完美，您甚至可以看到背景燈被拉伸成圓形結構：愛因斯坦環。

當然，大多數時候，對齊並不完美，而且有一個很好的理由，完美的對齊是罕見的：宇宙本身並不完美。也就是說，它充滿了不完美，受引力過度的增長所支配，這些引力導致我們今天看到的宇宙網。

我們可能認為宇宙由星系組成，這些星系被分組並聚集到連接於不同連接點的細絲中，但那將是一個錯誤。是的，這就是我們的宇宙在我們的眼睛和儀器看來的樣子，但這只是正常物質：由質子、中子和電子構成的物質。這些技術所看不到的是暗物質，它占宇宙質量的六分之五，但只形成由我們可以觀測到的宇宙結構所追蹤的漫射"骨架"。

如果我們深入到非常詳細的尺度，暗物質的情況就更有趣了。無論哪裡的暗物質，它不僅在宇宙，超星系尺度上形成了這個巨大的、彌散的、蓬鬆的光暈，除此之外，還有各種不同尺寸的微型亞光暈，它們會發生：

如果我們看一個典型的暗物質模擬星系的光環，我們疊加在它上面的正常發光物質，我們將看到的不僅僅是一個巨大的暗物質"絨毛球"，而是一系列流經星系得較小的暗物質亞結構。

之所以重要，是因為當我們觀察強透鏡系統時，我們觀察到的引力透鏡並不是由一個大的、光滑的質量來源造成的。相反，我們觀察到的透鏡信號的數量和類型是沿特定物體的視線，存在的所有不同形式的物質和能量的總和。

鏡頭系統最壯觀的配置之一是獲得"交叉"配置：四個圖像偏移約（但不是相當）90度彼此。早在發現第一個愛因斯坦環之前，愛因斯坦十字架就出現了，這主要是由於一個主要是由一個稍微偏離中心源的強透鏡的引力影響。背景光被拉伸、放大，並產生多個圖像，一個壯觀的景象，也使我們能夠獲取一些極有價值的科學信息。

當您查看這樣配置的系統的細節時，它不僅僅取決於主要的質量源透鏡，而且所有這些復雜的暗物質亞結構也由這些微型光暈產生。通過准確檢查四個圖像中的每一個圖像的光線是如何相對彎曲的——只有電離氧和氖特徵的光譜技術才可能如此——可以提取有關亞光環類型的信息，暗物質可以形成。

利用哈勃太空望遠鏡的數據，包括安娜·尼倫伯格教授和博士生丹尼爾·吉爾曼在內的一個小組，能夠對8個不同的四重透鏡系統進行大規模結構分析，該結構集成在視線上。通過觀察由於亞結構（其出現在千分之一的水平上）引起的變異，他們能夠獲得關於暗物質性質的信息。

特別是，暗物質在原則上可能生來就具有任何數量的動能和任何質量。然而，在實踐中，如果暗物質是光和快速移動的，那麼在宇宙中形成的結構類型就會在最小的尺度上被抑制。

當我們找到小尺度結構的證據，並開始測量這些結構的性質時，我們可以開始對允許其質量大小和緩慢移動的暗物質進行有意義的限制。例如，我們知道暗物質不能由宇宙中已知的中微子組成：暗物質會太熱。雖然我們通常談論冷暗物質，但暗物質仍有可能在某種程度上變暖，無論它擁有任何質量，都擁有顯著的動能。

以前，使用兩種不同的方法對暗物質的溫度/質量特性進行最佳約束，但兩者都需要假設。

這些限制是好的；如果暗物質是熱遺跡（這意味著它曾經產生於早期宇宙中其他粒子的動能），則假定所有假設都有效，它肯定比這些方法的6 keV或5.3 keV質量更大。（這比目前對中微子質量的約束量大約 10，000 倍）。

但是，通過利用這個新方法，獲得了與宇宙中正常物質的任何假設無關的優秀約束。正如丹尼爾·吉爾曼在美國天文學會年會上介紹這項研究時所說，

「想像一下，這八個星系中的每一個都是一個巨大的放大鏡。小暗物質團在放大鏡上充當小裂縫，改變四個類星體圖像的亮度和位置，與玻璃是否光滑情況相比。」

沒有依賴光和正常物質的相互作用，或正常物質與暗物質的相互作用，而是依靠光必須單獨遵循的彎曲路徑。僅僅從這項工作，暗物質，如果它是一個熱遺跡，必須大於5.2千伏，這意味著它可以是冷的或溫的，但不會更熱。

自從天文學家們第一次意識到宇宙需要暗物質的存在來解釋我們看到的宇宙以來，我們就試圖了解它的本質。雖然直接探測工作仍未取得成果，但通過天文觀測間接探測，不僅揭示了暗物質的存在，而且這種使用四重透鏡類星體系統的新方法，給了我們一些很強的，有意義的限制，關於暗物質到底需要多冷。

太熱或能量過高的暗物質不能形成低於一定尺度的結構，而這些超遙遠的四射鏡系統的觀測顯示，暗物質畢竟必須在非常小的尺度上形成團塊，這與我們所想像的任意冷度是一致的。暗物質不是熱的，甚至不可能是非常溫暖的。隨著越來越多的系統進入，我們的儀器甚至超出了哈勃望遠鏡的能力，我們甚至可能發現宇宙學家長期以來所懷疑得：暗物質今天不僅必須冷，而且一定是天生寒冷。

『貳』 如何看到暗物質星系相撞將暗物質分離，科學家觀測到引力證據

「多年來，人們的預期和觀察結果之間的差距越來越大，我們正努力填補這一差距。」——耶利米·奧薩特

在我們看來，宇宙中除了以正常物質（質子、中子和電子）構成的星系以外什麼都沒有了。而這些星系可以分為兩大類：螺旋星系和巨型橢圓星系。我們可以觀察到的東西，我們會切實的認為這些東西存在，而我們看不見、摸不著的東西就很難相信其真實的存在，例如暗物質。我們聽了太多的理論都認為暗物質存在，所以你可能想知道，我們到底沒有「觀測」到它，哪怕是間接的觀測到暗物質切實存在的證據！有，還真的有，今天我們說下，我們「看到的」暗物質。

所以我們僅僅通過改變引力方程是無法解釋這些觀測結果的；無論我們對引力做出怎樣的修改，宇宙都需要暗物質的存在。我們不僅有理論證明暗物質存在於巨大的星系團中，而且我們在一個非常小的星系團中也間接的發現了暗物質的存在。

『叄』 暗物質是怎麼發現的

1933年，加州理工大學的瑞士天文學家茨威基在研究星系團時發現了奇怪的現象：星系相對於星系團中心的運動速度似乎太快了。星系團是星系的集合體，可以包含數百個明亮的星系，這些星系由共同的引力場束縛。茨威基研究的星系團被稱作「後發座星系團」，距離銀河系3億光年。

局面在1960年後發生了改變，這一次證據來自臨近宇宙中的漩渦星系。長縫光譜儀的發展使得天文學家可以一次拍攝河外星系不同區域的恆星軌道運動速度，也就是所謂的「星系旋轉曲線」。和星系團中的星系運動同理，星系中恆星的軌道運動越快，意味著星系質量越大。美國卡內基研究所的Vera Rubin和Kent Ford在此後的十年間系統地調查了近鄰星系的旋轉曲線。他們的研究表明，所有的旋臂星系外圍的恆星似乎都轉得太快了，如果星系主要的質量來自發光物質，那麼這些星系外圍的恆星應該早已逃逸而去。這些近鄰的漩渦星系中至少應該包含比發光物質多6倍的暗物質，才能解釋觀測的旋轉曲線。來源：新浪科技

『肆』 如何發現暗物質可能存在

在愛因斯坦還沒有出生的時候，人們用牛頓定律來理解天體運動。

當時，大家只知道太陽系有七大行星，從里到外依次是水星、金星、地球、火星、木星、土星和天王星。它們都在引力作用下繞著太陽運行。

通過牛頓萬有引力定律，人們可以准確地計算出每一顆行星的運行軌跡，可以預期這顆行星今天應該出現在什麼位置，明天應該出現在什麼位置。不光是太陽對它們的影響，甚至行星之間的相互作用和運行規律我們都能很好地掌握，計算結果與觀測結果都能對得上。

逃逸速度是一個什麼概念？大家知道，當我們發射的火箭和宇宙飛船達到第一宇宙速度的時候，它們就能繞著地球做勻速圓周運動，如果這個速度更快，達到所謂的第二宇宙速度，那麼飛船或者火箭就能脫離地球引力，飛離地球，這就是逃逸速度。

之所以說茲威基發現的這個現象非常不可思議，是因為按照原有的認知，這個星系團早就應該分崩離析了。於是他提出了一個大膽的猜測，認為這個星系團裡面很可能存在一些我們還看不到的物質，它們提供了額外的引力把這些星系牽制住，使得它們不會跑掉。

『伍』 天文學家是如何發現暗物質的

天文學家是通過觀察宇宙中一部分星系的引力系統，最終才確定了“暗物質”的存在。暗物質，堪稱是如今科學理論中，宇宙中最神秘莫測，最引人好奇的一種物質。它看不見，摸不著，人類迄今為止的任何探測工具，都找不到它的影子；

偏偏，它的存在已經得到了我們的證實。而且，據說暗物質充斥了宇宙中絕大部分的空間，甚至佔到了百分之九十六以上。既然暗物質是如此“難以捉摸”的物質，科學家又是通過怎樣的方式，去發現暗物質的呢？

有一部分學者認為，暗物質一樣也是由“弦”構成的，但是一種內部構造不穩定的表現。我們能通過暗物質，找到“蟲洞”，進而穿梭到其他多元宇宙中去，目前還沒有得到廣泛認同。

『陸』 我們如何才能知道暗物質和暗能量的存在

暗理論-雷電計劃

銀盤就像電動機里的極板。伯克蘭電流在它們內部流動，為它們的恆星提供動力。反過來，星系是由星系間的伯克蘭電流驅動的，這些電流可以通過它們的無線電信號檢測到。由於伯克蘭電流以1r的關系相互吸引，當流經等離子體的電流被認為是一種吸引力時，暗物質可以被排除。

『柒』 我們應該知道暗物質的那些

是的，地球一直被暗物質顆粒包圍，盡管它們在太陽附近可能沒那麼多。我們所說的暗物質粒子正在您的身體里和整個地球上流動。馬賽天體物理學實驗室（LAM）的技術人員正在調整校準，調整和整合空間光學（ERIOS）腔室的水箱多層絕緣（MLI）塗層，從而再現了飛行條件。 在為羅塞塔號航天器開發工具之後，LAM解釋了其參與即將進行的任務，例如旨在研究暗物質的歐洲望遠鏡Euclid。

子彈星團：由兩個碰撞的星系群組成。嚴格來說，「子彈星團」這個名稱是指較小的，正在遠離大的那個的子星團。它的徑向移動距離為1.141 Gpc（37.2億光年）。據稱，子彈星團的引力透鏡研究提供了迄今為止暗物質存在的最佳證據。

重子（Baryon）是一個現代粒子物理學名詞，在標准模型理論中，「重子」這一名詞是指由三個誇克（或者三個反誇克組成的「反重子」）組成的復合粒子。[1]:1232在這理論中它是強子的一類。值得注意的是，因為重子屬於復合粒子，所以「不是」基本粒子。最常見的重子有組成日常物質原子核的質子和中子，合稱為核子。其它重子中，有比這兩種粒子更重的粒子，即所謂的超子。重子這個稱呼是指其質量相對重於輕子和介於兩者之間的介子起的。