暗物质

暗物质

王文瀚12S011029 1 引言

二十世纪三十年代,瑞士科学家F. Zwicky在研究Coma星系团的成员星系运动时发现，这个星系团里的星系运动速度比预想的要高很多，远远超过了这个星系团的逃逸速度。Zwicky认为存在我们没有观测到的质量，并且称之为“暗物质”。暗物质存在最重要的证据来自于V. Rubin等关于漩祸星系旋转曲线的测量，这个测量无可争议的表明了暗物质的存在。

2 几种常见的暗物质模型

2.1 重子暗物质

一些星体演化到一定阶段，温度降得很低，已经不能再输出任何可以观测的电磁信号，不可能被直接观测到，这样的星体就会表现为暗物质。这类暗物质可以称为重子物质的暗物质。

重子暗物质是指不可见的由重子组成的暗物质。重子暗物质包括中子星、黑洞、红矮星、褐矮星、重质量致密晕体（MACHO）、星际空间的分子和分子团、反物质、宇宙线等。中子星、黑洞等一般可以通过空间X 或γ射线望远镜所观测。自1990 年以来，MACHO，EROS 和OGLE 等合作组分别对MACHO 进行了观测，确认了银晕中MACHO 的存在，其质量在0.1-1.2 倍的太阳质量之间，占银晕总质量的30-50%。

2.2 非重子暗物质

另一类暗物质，它的构成成分是一些带中性的有静止质量的稳定粒子。这类粒子组成的星体或星际物质，不会放出或吸收电磁信号。这类暗物质可以称为非重子物质的暗物质。

非重子暗物质是指宇宙早期或在宇宙演化过程中遗留下来的弱作用粒子。低温无碰撞暗物质(CCDM)是非重子暗物质，其模型中基本粒子的特点是：寿命长，寿命应与宇宙年龄相近；温度低。暗物质粒子在退耦时，都是非相对论粒子，这样它们才能在引力作用下很快成团；无碰撞暗物质粒子的相互作用截面在暗物质晕中可忽略不计。

这种暗物质对大尺度结构的预言与观测相符合。其中的一类，弱相互作用大质量粒子(WIMP)，还可以很好地解释其在宇宙中的丰度。但这种暗物质(CCDM)也存在一些问题，主要是理论上暗物质晕的密度分布应该在核区出现陡增。这与观测到的许多自引力系统的中心区的暗物质密度不是很明显不符，如低表面亮度

星系具有与理论结果形成鲜明对比的均匀密度中心。此外，CCDM 预言应能观测到许多的由小暗物质晕造成的引力透镜效应，但是目前的观测结果并没有证实这一点。这些意味着暗物质可能不是简单的CCDM。

2.3 热暗物质

热暗物质的静质量很小，它退耦时粒子的热运动速度仍很接近光速。热暗物质的共性是粒子数密度很大，其特点是静质量较小。热暗物质的侯选者为中微子。但有人认为中微子是费米子，应服从泡利不相容原理，它们不可能过多的聚集在一起构成热暗物质。

中微子构成暗物质的前提是三种中微子之中，至少有某一种中微子具有静止质量。近20 多年来，有许多直接测量或间接测量中微子质量的方案。在直接测量的方案中，最常用的方案是测量氘核的β衰变谱形。由于氘很难处在纯“核”状态，必定和电子或其它原子组成原子体系或分子体系，而纯原子状态又极易结合成氘分子。利用氘的α谱形直接测量中微子质量的困难，在于和中微子质量相关的尾端部分的谱形要强烈地受到原子结构或分子结构的干扰。理论上可以算出原子结构或分子结构对于谱形的修正，但只有氘原子可以从理论上给出精确的修正的算式，一切复杂的分子，甚至最简单的氘的气体(即为T2)，都不能给出精确的修正公式。对于分子状态的氘分子，曾经有世界上算氢分子体系算得最精确的Kolos 等人做了高精度的计算，并且有许多实验工作者利用他们给出的高精度的计算来分析由氘分子衰变出的谱形来定出中微子质量，但这样的结果，仍不够精确。

2.4 冷暗物质

冷暗物质的静质量很大，退耦的热速度远低于光速。暗物质中大多数是非重子暗物质，而非重子暗物质中主要是冷暗物质粒子。冷暗物质的可能侯选者是轴子，也可能是宇宙早期遗留下来的稳定的、弱作用的重粒子（WIMP），还有人认为它是一种强作用的重粒子。

最具说服力的就是宇宙冷暗物质模型。在宇宙大爆炸后，随着宇宙的膨胀，宇宙物质的温度会很快的降低。在红移大概1000 左右，宇宙背景光子的温度己经降到大约1ev 左右，这么低的温度不足以阻止自由电子和质子的复合，所以那些大量的背景光子就退耦下来，一直遗留到今天。由于大量电子和质子的复合，宇宙中自由电子的数密度越来越少，使宇宙变得对光子透明。所以现在我们观测到的光子的各向异性基本保持了最后散射时的性质。电子和质子的复合是宇宙的黑暗时代的开始，一直延续到红移z ~ 20，到那时由于引力的不稳定性，重子物质会坍塌形成第一代恒星，然后逐渐合并形成星系。到大约z ~10，大量的星系发出的光可以把整个宇宙电离。

对于冷暗物质，一般公认为带有超对称性质的中性重粒子，Neutralino 是最佳候选者。曾经有意大利物理学家和我国学者戴长江研究员提出过用成吨级CaF2晶体，来搜寻理论上可能存在的Neutralino，但这一方法的困难是较难从放射性核所造成的背景中，区分出真实的事例。为了研究有无冷暗物质，现在高能所正和丁肇中实验组合作搜寻Neutralino 的带电的伙伴Chargino。如果能够找到，这当然是高能粒子物理的重大事件，对于人们用“超对称”中性粒子解释冷暗物质的假说，是一个有力的支持。

2.5 其他暗物质模型

理论和观测之间的不一致，促使科学家又提出了新的暗物质模型。这些模型中的暗物质与CCDM 相比有两个特点：首先，它可以解决前面出现的一些甚至是全部的问题；其次，由它所导出的理论预言可以把它和其他模型区别开。以下就是可能的暗物质模型：

1.强相互作用暗物质（SIDM）。这类暗物质具有与核子-核子散射截面相当的自散射截面σ。在或大或小的暗物质晕中，当其中粒子的面密度乘以σ超过一定数量时，暗物质粒子间的碰撞将导致复杂的结构演化。在这一过程（其持续的时间大于现今宇宙的年龄）的初始阶段，由于暗物质粒子的散射，暗物质晕的中心密度就会出现下降。同时，散射也会从环绕大尺度结构的小型暗物质团块中剥离出暗物质晕，使得它们很容易受到潮汐引力的作用，进而减少它们的数量。

2.温暗物质（WDM）。这类暗物质可能一开始就具有很小的速度弥散（例如，通过衰变而获得速度），这使得它们现在具有大约100m/s 的速度。如果回溯到早期，这一速度会增大，并且对小尺度结构产生影响，因为粒子的运动速度过快，使它们无法在较小的尺度内成团。因而小质量晕的数量会减少，而且每一个晕的中心密度也会减小。同时，由于大多数的小质量晕是由大尺度结构碎裂而成的，因此可以在高密度区域找到它们，而且与CCDM 理论相比，其在巨洞中的小质量晕会更少。

3.斥暗物质（RDM）。这种暗物质可能由大质量玻色子凝聚而成，而且具有短程的排斥势。因此暗物质晕的中心部分会处于类似超流的状态，其密度不会陡然上升。

4.模糊暗物质（FDM）。这类暗物质以极轻的标量粒子的形式出现，它的康普顿波长（有效尺度）与星系核的尺度相当。因此，这类暗物质不可能在更小的尺度上成团，导致其核区的密度相对较低。

5.自湮灭暗物质（SADM）。这类暗物质在稠密区域可能会碰撞、湮灭并发出辐射。通过这种直接的方式去除粒子，其中心的密度就会降低，通过重新膨胀调整了中心的引力。

6.衰变暗物质（DDM）。如果早期的稠密暗物质晕衰变成了相对论性粒子，

并且遗留下了小质量的团块，其核心密度就会降低，但这并不会对大尺度结构产生影响。

7.大质量黑洞（BH）。如果星系中的暗物质以大约1 百万个太阳质量黑洞的形式出现，那么围绕着我们银河系的一些动力学神秘特性就能被解释了。在一般的星系中，黑洞和普通物质间的动力学摩擦会使得黑洞掉向中心，形成星系中心的超大质量黑洞，或者被抛出星系。

3 暗物质粒子的探测

如果暗物质粒子与标准模型粒子间有弱相互作用,我们就有可能在实验室中寻找到暗物质粒子。或者暗物质粒子可以湮灭或者衰变,我们也可以通过一定方式寻找这方面的迹象。根据可能的相互作用形式,我们可以设计特定的实验寻找暗物质粒子。不过弱相互作用强度是很低的,要找到暗物质的信号并不是一件容易的事情。越来越多的实验都把目标指向了暗物质探测,相信未来的实验还会不断进行下去,直到找到暗物质粒子。

寻找暗物质粒子的实验通常分为三类。第一种是在对撞机上寻找暗物质存在的迹象。第二种是探测暗物质粒子与原子核碰撞产生的信号。第三种是探测暗物质粒子的衰变或者淫灭的信号。

4 近期实验观测结果

4.1 “室女座I21”的发现

天文学家通过无线电天文望远镜观测到，在距离地球2000 万光年的室女座，发现了一个看不见的“隐形星系”，其被命名为“室女座I21”。

图1 室女座I21 星系模拟图

这一天体的旋转速度很快。如果是由一般普通物质（F-物质）构成，这样的速度应该会把很多物质“甩”出去。它之所以能够保持如此大的质量而进行如此高速的旋转，其中必定存在某种物质，担当起了“引力胶水”的作用。根据其旋转的速度，我们意识到室女座I21 的质量是为太阳质量 1 亿倍的天体。

据来自康奈尔大学的天文学家们称，他们是在研究超级星系“NGC 4254”时首次意外发现了“室女座I21”星系。最初，科学家们在“NGC 4254”星系周围观测到典型的气体发光现象，后来的重力测量结果显示，“NGC 4254”星系旁边肯定存在着一个巨大的星系，但是他们却无论如何也观测不到这个星系。

如果它是一个普通的星系，就应该十分明亮，只需通过一个稍微好点的业余望远镜就能观测到，而高强度可见光观测结果表明，“室女座I21”中没有恒星存在。所以可推测暗物质和普通物质的比率至少是500：1，高出我们对任何一个普通星系中这一比率的预期值。

4.2 “侏儒星系”的发现

一项新研究证实，最近发现的盘旋在银河系周围极暗的小“霍比特”星系几乎全部由暗物质构成。这一发现可能有助于揭开长期以来让天文学家困惑不已的宇宙质量之谜，还能解释这么小的星系是如何形成的。

根据解释宇宙发展和演变的“冷暗物质”模型，可以知道大的星系象我们的银河系应该被一群小上数百倍的“矮”星系环绕着。不过，直到最近，天文学家只发现了11个这样的“矮”星系。为了解释所谓的“看不见的矮星系”这一问题，理论家们已经建议，多数矮星系几乎不含恒星，即便有也相当少，相反基本上全由暗物质组成。

2007 年初，斯隆数字巡天小组成员宣布，他们已经在本星系群中发现8 个极暗的小星系，可能属于这种奇异的“暗”星系一类。因为这些新星系比已知的像大、小麦哲伦星系一样的矮星系还要小得多，部分科学家将它们称为“霍比特”星系。天文学家普遍认为，多数星系，包括我们的银河系拥有比常规物质更多的暗物质，但这些最新发现的“霍比特”星系将这一趋势发挥到了极致。