暗物质到底存不存在

20世纪物理学和探测技术的飞速发展，使得精确研究宇宙的起源和演化成为可能。现代天文学通过“引力透镜效应”、宇宙大尺度结构的形成、宇宙微波背景辐射等方法和理论来探测暗物质。现代宇宙学中各种独立的观测实验证据，包括对螺旋星系自转曲线的测量、对“子弹”星系团的研究、引力透镜效应、对宇宙大尺度结构的观测、宇宙微波背景辐射等。，都表明宇宙中存在有引力效应但不发射或吸收电磁波(包括可见光)的物质，即暗物质。占宇宙总量很大比例的暗物质和暗能量(宇宙中导致宇宙加速膨胀的成分)的本质是什么，是当今物理学的两大谜团。

1爱因斯坦引力透镜效应

根据爱因斯坦的广义相对论，由于时间空在大质量天体附近会发生扭曲，光线在经过邻近区时会向大质量天体方向偏转，产生会聚效应。如果在观察者到背景光源的视线中有一个大质量的前景物体(如暗物质为主的大质量星系团)，有时光源两侧会出现两个图像甚至多个图像，就好像在观察者和被观察物体之间放置了一个凸透镜一样，因此得名“引力透镜效应”(图2)。顾名思义，引力透镜就是因为引力改变了光的路径。引力是万物的共同属性(只要宇宙中有东西，没有引力就没有)，所以引力透镜无处不在。一般来说，透镜天体正好在背景和观察者之间时，透镜的作用最强。

通过分析背景光源的失真程度、多个图像的位置和特征等。，它可以帮助我们研究物质分布在中间作为“透镜”的性质。根据尺度和效应的不同，引力透镜效应可分为强引力透镜效应、弱引力透镜效应和引力微透镜效应。一般在强透镜区可以形成多个背景源的图像，甚至是圆弧(也叫“爱因斯坦环”)，而弱透镜区只产生比较小的畸变。强透镜法通过分析爱因斯坦环的曲率和多幅图像的位置，可以估算和测量透镜天体的质量，获得暗物质的质量和空之间的分布信息。暗物质是宇宙的主要成分，约为普通物质总量的6倍。它的引力效应和普通物质一样，必然产生引力透镜效应。因此，通过分析引力透镜来测量暗物质在星系团内和大尺度上的分布，是现代宇宙学研究暗物质的重要手段。

2006年，美国天文学家利用钱德拉X射线空望远镜观测到一个名为1E0657-558(“子弹星系团”)的星系团，无意间观测到两个星系团高速碰撞的过程(图3)。星系团之间的碰撞如此强大，以至于两个星系团的暗物质相互交叉，而发出可见光的正常物质则被留下。天文学家发现引力透镜观测到的物质分布与发光物质明显不同，从而证明暗物质是星团中的主要物质成分。

2星系的旋转曲线

暗物质存在的另一个令人信服的证据来自对我们银河系和附近邻近星系的观测。在Zwicky提出暗物质概念40年后，美国女科学家VeraRubin和她的同事KentFord于20世纪70年代开始研究仙女座星云(M31星系)的自转曲线。利用之前改进的观测技术，他们可以探测到距离星系核区域几十光年的恒星的径向运动速度。根据牛顿万有引力定律，如果星系的质量主要集中在星系核内(如M31星系发出的可见光所示)，星系外恒星的自转速度会随着远离星系中心而降低。然而，观测结果确实表明，星系外恒星的速度在相当大的范围内几乎是恒定的——茨威基发现的类似现象又出现了:仅靠望远镜看到的“可见物质”远远不足以托住星系外的恒星——至少需要10倍的质量才能将这些恒星束缚在M31星系中，而且它们旋转得太快了。既然仙女座星系没有分崩离析，要么说明牛顿引力定律是不正确的，需要在星系这样大的尺度上进行修正，要么说明大量不发光的物质，也就是暗物质，分布在星系非核心区更广阔的区域。他们的工作启发了很多后续的研究工作。现在天文学家认为，每个星系，无论大小，都被自己的暗物质晕所包围，甚至一些质量很小的“矮星系”，其暗物质总量是普通物质的1000多倍。如何解释不同星系尺度的“自转曲线问题”，是各种暗物质理论都必须克服的困难。

3宇宙的大尺度结构

在物理宇宙学中，宇宙的大尺度结构描述了哈勃体积在大尺度(典型尺度为10亿光年)下的质量和光分布特征。近年来，大天空区域的星系巡天结果显示，宇宙似乎呈现出“网状泡沫”结构。几乎所有的星系都分布在狭窄的“纤维带”中，但在它们的中间是巨大的空洞，星系密度要小得多，天文学上称之为“空洞”结构。这些空洞体积巨大，有些直径可达3亿光年。虽然那里看起来真的什么都没有，但事实上，天文观测证明那里充满了暗物质。对宇宙的进一步研究表明，巨大的泡状空洞将片状物质结构与星系纤维分隔开来，超星系团就像偶尔相对出现的致密节点。在宇宙学星系红移巡天中可以清楚地看到这种网络结构。星系巡天三维空图的结构显示了迄今为止已知的最大的宇宙结构。没有暗物质的帮助，所有这些结构都无法形成。可以说，暗物质是我们宇宙中多彩结构形成的重要基石。

4宇宙微波背景辐射

宇宙微波背景CMB辐射(CMB)的研究在现代天文学、宇宙学和高能物理学的发展中起着重要的作用。CMB是BIGBANG留下的弱光子辐射场，承载着丰富的宇宙学信息，几乎是人类认识宇宙极早期演化的唯一有效途径。CMB的发现不仅开启了半个世纪前的宇宙学，近年来它的精确测量更是将人类带入了“精确宇宙学”时代。CMB的测量是最精确、最有效的宇宙学“探针”，在探索宇宙加速膨胀、“暗能量”的物理本质、“原始”引力波的探测、早期宇宙暴胀过程的物理机制等当代宇宙学、高能物理和基础物理的前沿问题中发挥着核心作用。对CMB温度场空各向异性的观测和研究，极大地促进了人类对宇宙物质组成和早期的认识。

微波背景是大爆炸遗留下来的热辐射，是一种充满整个宇宙的电磁辐射。其特性与绝对温标为2.725K的黑体辐射相同，其频率属于微波范围。1964年，美国射电天文学家阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊意外发现了宇宙微波背景，并获得了1978年的诺贝尔奖。CMB表现出轻微的温度波动，对应于局部密度的轻微差异。在宇宙年轻时代，在恒星和行星形成之前，等离子体和辐射充满了整个宇宙，并随着宇宙的膨胀逐渐冷却。当宇宙冷却到一定温度时，质子和电子结合形成中性原子。这些原子不再吸收热辐射，因此宇宙逐渐变得透明。对CMB的观测表明，宇宙中暗物质的组成约为普通可见物质的6倍，与大尺度结构的观测结果一致。