用什么先进仪器能看到暗物质

『壹』 科学家通过八款新四重镜头揭示了暗物质的温度

暗物质可能是我们宇宙中最神秘的组成部分之一，自20世纪30年代首次提出以来，一直未能直接探测。尽管其存在的天体物理学证据是压倒性的——从旋转的星系、星系团运动中、大规模结构形成、碰撞星系群、宇宙微波背景等，但遗憾的是我们不知道它的真实性质是什么。

研究暗物质的最好方法之一是通过它的引力效应，特别是在极端环境中：爱因斯坦的广义相对论做出不同于牛顿引力的独特预测。强烈的引力透镜，我们和遥远源之间的干涉质量产生扭曲，放大，和多个图像的目标，是天体的最佳探测方法之一。随着一套由8个强透镜、四重图像系统组成的新系统，科学家们正在以前所未有的形式了解暗物质的特性。

在爱因斯坦的广义相对论中，与牛顿古老的引力理论不同，引起我们感知到的引力的不是质量之间的无形引力，而是物质与能量与时空之间的关系。物质和能量的存在使空间的结构扭曲，扭曲的空间影响宇宙中的一切，包括穿过这个空间的光。

每当有足够大的弯曲空间时，它都会以一系列迷人的方式影响穿过该区域的光线。与平面空间（光线必须始终在两点之间的直线路径中移动）不同，曲线空间的存在，意味着可以采取多条路径来连接空间中的两个点。如果对齐绝对完美，您甚至可以看到背景灯被拉伸成圆形结构：爱因斯坦环。

当然，大多数时候，对齐并不完美，而且有一个很好的理由，完美的对齐是罕见的：宇宙本身并不完美。也就是说，它充满了不完美，受引力过度的增长所支配，这些引力导致我们今天看到的宇宙网。

我们可能认为宇宙由星系组成，这些星系被分组并聚集到连接于不同连接点的细丝中，但那将是一个错误。是的，这就是我们的宇宙在我们的眼睛和仪器看来的样子，但这只是正常物质：由质子、中子和电子构成的物质。这些技术所看不到的是暗物质，它占宇宙质量的六分之五，但只形成由我们可以观测到的宇宙结构所追踪的漫射"骨架"。

如果我们深入到非常详细的尺度，暗物质的情况就更有趣了。无论哪里的暗物质，它不仅在宇宙，超星系尺度上形成了这个巨大的、弥散的、蓬松的光晕，除此之外，还有各种不同尺寸的微型亚光晕，它们会发生：

如果我们看一个典型的暗物质模拟星系的光环，我们叠加在它上面的正常发光物质，我们将看到的不仅仅是一个巨大的暗物质"绒毛球"，而是一系列流经星系得较小的暗物质亚结构。

之所以重要，是因为当我们观察强透镜系统时，我们观察到的引力透镜并不是由一个大的、光滑的质量来源造成的。相反，我们观察到的透镜信号的数量和类型是沿特定物体的视线，存在的所有不同形式的物质和能量的总和。

镜头系统最壮观的配置之一是获得"交叉"配置：四个图像偏移约（但不是相当）90度彼此。早在发现第一个爱因斯坦环之前，爱因斯坦十字架就出现了，这主要是由于一个主要是由一个稍微偏离中心源的强透镜的引力影响。背景光被拉伸、放大，并产生多个图像，一个壮观的景象，也使我们能够获取一些极有价值的科学信息。

当您查看这样配置的系统的细节时，它不仅仅取决于主要的质量源透镜，而且所有这些复杂的暗物质亚结构也由这些微型光晕产生。通过准确检查四个图像中的每一个图像的光线是如何相对弯曲的——只有电离氧和氖特征的光谱技术才可能如此——可以提取有关亚光环类型的信息，暗物质可以形成。

利用哈勃太空望远镜的数据，包括安娜·尼伦伯格教授和博士生丹尼尔·吉尔曼在内的一个小组，能够对8个不同的四重透镜系统进行大规模结构分析，该结构集成在视线上。通过观察由于亚结构（其出现在千分之一的水平上）引起的变异，他们能够获得关于暗物质性质的信息。

特别是，暗物质在原则上可能生来就具有任何数量的动能和任何质量。然而，在实践中，如果暗物质是光和快速移动的，那么在宇宙中形成的结构类型就会在最小的尺度上被抑制。

当我们找到小尺度结构的证据，并开始测量这些结构的性质时，我们可以开始对允许其质量大小和缓慢移动的暗物质进行有意义的限制。例如，我们知道暗物质不能由宇宙中已知的中微子组成：暗物质会太热。虽然我们通常谈论冷暗物质，但暗物质仍有可能在某种程度上变暖，无论它拥有任何质量，都拥有显著的动能。

以前，使用两种不同的方法对暗物质的温度/质量特性进行最佳约束，但两者都需要假设。

这些限制是好的；如果暗物质是热遗迹（这意味着它曾经产生于早期宇宙中其他粒子的动能），则假定所有假设都有效，它肯定比这些方法的6 keV或5.3 keV质量更大。（这比目前对中微子质量的约束量大约 10，000 倍）。

但是，通过利用这个新方法，获得了与宇宙中正常物质的任何假设无关的优秀约束。正如丹尼尔·吉尔曼在美国天文学会年会上介绍这项研究时所说，

“想象一下，这八个星系中的每一个都是一个巨大的放大镜。小暗物质团在放大镜上充当小裂缝，改变四个类星体图像的亮度和位置，与玻璃是否光滑情况相比。”

没有依赖光和正常物质的相互作用，或正常物质与暗物质的相互作用，而是依靠光必须单独遵循的弯曲路径。仅仅从这项工作，暗物质，如果它是一个热遗迹，必须大于5.2千伏，这意味着它可以是冷的或温的，但不会更热。

自从天文学家们第一次意识到宇宙需要暗物质的存在来解释我们看到的宇宙以来，我们就试图了解它的本质。虽然直接探测工作仍未取得成果，但通过天文观测间接探测，不仅揭示了暗物质的存在，而且这种使用四重透镜类星体系统的新方法，给了我们一些很强的，有意义的限制，关于暗物质到底需要多冷。

太热或能量过高的暗物质不能形成低于一定尺度的结构，而这些超遥远的四射镜系统的观测显示，暗物质毕竟必须在非常小的尺度上形成团块，这与我们所想象的任意冷度是一致的。暗物质不是热的，甚至不可能是非常温暖的。随着越来越多的系统进入，我们的仪器甚至超出了哈勃望远镜的能力，我们甚至可能发现宇宙学家长期以来所怀疑得：暗物质今天不仅必须冷，而且一定是天生寒冷。

『贰』 如何看到暗物质星系相撞将暗物质分离，科学家观测到引力证据

“多年来，人们的预期和观察结果之间的差距越来越大，我们正努力填补这一差距。”——耶利米·奥萨特

在我们看来，宇宙中除了以正常物质（质子、中子和电子）构成的星系以外什么都没有了。而这些星系可以分为两大类：螺旋星系和巨型椭圆星系。我们可以观察到的东西，我们会切实的认为这些东西存在，而我们看不见、摸不着的东西就很难相信其真实的存在，例如暗物质。我们听了太多的理论都认为暗物质存在，所以你可能想知道，我们到底没有“观测”到它，哪怕是间接的观测到暗物质切实存在的证据！有，还真的有，今天我们说下，我们“看到的”暗物质。

所以我们仅仅通过改变引力方程是无法解释这些观测结果的；无论我们对引力做出怎样的修改，宇宙都需要暗物质的存在。我们不仅有理论证明暗物质存在于巨大的星系团中，而且我们在一个非常小的星系团中也间接的发现了暗物质的存在。

『叁』 暗物质是怎么发现的

1933年，加州理工大学的瑞士天文学家茨威基在研究星系团时发现了奇怪的现象：星系相对于星系团中心的运动速度似乎太快了。星系团是星系的集合体，可以包含数百个明亮的星系，这些星系由共同的引力场束缚。茨威基研究的星系团被称作“后发座星系团”，距离银河系3亿光年。

局面在1960年后发生了改变，这一次证据来自临近宇宙中的漩涡星系。长缝光谱仪的发展使得天文学家可以一次拍摄河外星系不同区域的恒星轨道运动速度，也就是所谓的“星系旋转曲线”。和星系团中的星系运动同理，星系中恒星的轨道运动越快，意味着星系质量越大。美国卡内基研究所的Vera Rubin和Kent Ford在此后的十年间系统地调查了近邻星系的旋转曲线。他们的研究表明，所有的旋臂星系外围的恒星似乎都转得太快了，如果星系主要的质量来自发光物质，那么这些星系外围的恒星应该早已逃逸而去。这些近邻的漩涡星系中至少应该包含比发光物质多6倍的暗物质，才能解释观测的旋转曲线。来源：新浪科技

『肆』 如何发现暗物质可能存在

在爱因斯坦还没有出生的时候，人们用牛顿定律来理解天体运动。

当时，大家只知道太阳系有七大行星，从里到外依次是水星、金星、地球、火星、木星、土星和天王星。它们都在引力作用下绕着太阳运行。

通过牛顿万有引力定律，人们可以准确地计算出每一颗行星的运行轨迹，可以预期这颗行星今天应该出现在什么位置，明天应该出现在什么位置。不光是太阳对它们的影响，甚至行星之间的相互作用和运行规律我们都能很好地掌握，计算结果与观测结果都能对得上。

逃逸速度是一个什么概念？大家知道，当我们发射的火箭和宇宙飞船达到第一宇宙速度的时候，它们就能绕着地球做匀速圆周运动，如果这个速度更快，达到所谓的第二宇宙速度，那么飞船或者火箭就能脱离地球引力，飞离地球，这就是逃逸速度。

之所以说兹威基发现的这个现象非常不可思议，是因为按照原有的认知，这个星系团早就应该分崩离析了。于是他提出了一个大胆的猜测，认为这个星系团里面很可能存在一些我们还看不到的物质，它们提供了额外的引力把这些星系牵制住，使得它们不会跑掉。

『伍』 天文学家是如何发现暗物质的

天文学家是通过观察宇宙中一部分星系的引力系统，最终才确定了“暗物质”的存在。暗物质，堪称是如今科学理论中，宇宙中最神秘莫测，最引人好奇的一种物质。它看不见，摸不着，人类迄今为止的任何探测工具，都找不到它的影子；

偏偏，它的存在已经得到了我们的证实。而且，据说暗物质充斥了宇宙中绝大部分的空间，甚至占到了百分之九十六以上。既然暗物质是如此“难以捉摸”的物质，科学家又是通过怎样的方式，去发现暗物质的呢？

有一部分学者认为，暗物质一样也是由“弦”构成的，但是一种内部构造不稳定的表现。我们能通过暗物质，找到“虫洞”，进而穿梭到其他多元宇宙中去，目前还没有得到广泛认同。

『陆』 我们如何才能知道暗物质和暗能量的存在

暗理论-雷电计划

银盘就像电动机里的极板。伯克兰电流在它们内部流动，为它们的恒星提供动力。反过来，星系是由星系间的伯克兰电流驱动的，这些电流可以通过它们的无线电信号检测到。由于伯克兰电流以1r的关系相互吸引，当流经等离子体的电流被认为是一种吸引力时，暗物质可以被排除。

『柒』 我们应该知道暗物质的那些

是的，地球一直被暗物质颗粒包围，尽管它们在太阳附近可能没那么多。我们所说的暗物质粒子正在您的身体里和整个地球上流动。马赛天体物理学实验室（LAM）的技术人员正在调整校准，调整和整合空间光学（ERIOS）腔室的水箱多层绝缘（MLI）涂层，从而再现了飞行条件。 在为罗塞塔号航天器开发工具之后，LAM解释了其参与即将进行的任务，例如旨在研究暗物质的欧洲望远镜Euclid。

子弹星团：由两个碰撞的星系群组成。严格来说，“子弹星团”这个名称是指较小的，正在远离大的那个的子星团。它的径向移动距离为1.141 Gpc（37.2亿光年）。据称，子弹星团的引力透镜研究提供了迄今为止暗物质存在的最佳证据。

重子（Baryon）是一个现代粒子物理学名词，在标准模型理论中，“重子”这一名词是指由三个夸克（或者三个反夸克组成的“反重子”）组成的复合粒子。[1]:1232在这理论中它是强子的一类。值得注意的是，因为重子属于复合粒子，所以“不是”基本粒子。最常见的重子有组成日常物质原子核的质子和中子，合称为核子。其它重子中，有比这两种粒子更重的粒子，即所谓的超子。重子这个称呼是指其质量相对重于轻子和介于两者之间的介子起的。