關於暗物質的11個未解之謎
在20世紀30年代，一位名叫弗裡茨·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量所能解釋的要快得多。他提出了一種看不見的物質，他稱之爲暗物質，可能是通過引力作用拉扯着這些星系。從那時起，研究人員已經證實了這種神秘的物質可以在宇宙中隨處找到，而且它比構成普通物體（如恆星和人類）的正常物質要多六倍。然而，儘管在宇宙中看到了暗物質，科學家們對它還是一知半解。
暗物質是什麼？
首先，也許是最令人困惑的是，研究人員還不確定暗物質到底是什麼。最初，一些科學家推測宇宙中缺失的質量是由小型暗淡的恆星和黑洞組成的，但是詳細的觀測並沒有發現足夠多的這樣的物體來解釋暗物質的影響。
目前暗物質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量粒子（WIMP），它的行爲有點像中子，只不過比質子重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嗎？
如果暗物質是由WIMP組成的，它們應該無處不在，隱形而且很難檢測。那麼我們爲什麼還沒有發現它們呢？雖然它們與普通物質的相互作用很少，但總是有一些微小的可能性，暗物質粒子在穿越空間時會撞到一個正常的粒子，比如質子或電子。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粒子的碰撞。問題是什麼呢？經過幾十年的尋找，沒有一個探測器發現了可靠的證據。今年早些時候，中國的PandaX實驗報告了最新的WIMP未檢測結果。看起來暗物質粒子可能比WIMP小得多，或者缺乏讓它們容易研究的性質。
暗物質是由一種還是多種粒子組成的？
暗力是否存在？
除了暗物質的額外粒子，還有一種可能性是暗物質經歷了類似於普通物質感受到的力。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生電磁力的光子，只不過它們只能被暗物質粒子感受到。正如《生活科學》網站之前報道的那樣，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——正電子，撞擊一個鑽石。如果暗光子真的存在，電子-正電子對可以湮滅併產生一個奇怪的力載體粒子，可能打開一個全新的宇宙領域。
暗物質是否可能由軸子組成？
這是一個很有趣的問題，因爲軸子是一種假想的粒子，它不僅可以解決強CP問題，還可以作爲暗物質的候選者。隨着物理學家們對WIMP的信心下降，軸子開始受到更多的關注。軸子的質量非常輕，可能比質子小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恆星的物體，它們可能會產生可探測的輻射，這種輻射與神秘現象——快速射電暴很相似
暗物質的性質是什麼？
這是一個很好的問題，因爲暗物質是宇宙中最神秘的成分之一。天文學家通過暗物質與普通物質的引力相互作用發現了暗物質，這表明這是它在宇宙中表現自己的主要方式。但是當試圖理解暗物質的真實本質時，研究人員幾乎沒有什麼線索。根據一些理論，暗物質粒子應該是它們自己的反粒子，這意味着兩個暗物質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，並已經檢測到數十萬次事件。科學家們還不確定這些是否來自暗物質，而且這個信號還沒有幫助他們確定暗物質到底是什麼。
目前，關於暗物質的性質，我們只能做出一些基本的假設和推測。例如，我們認爲暗物質：
佔據了宇宙中85%的物質，但只佔據了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。
可能存在於其他維度中，或者與暗能量有某種聯繫或統一的理論。
可能影響黑洞、恆星和行星，甚至生命的形成和演化。
當然，這些都只是一些可能性，並沒有得到確鑿的證據。要揭開暗物質的真相，我們還需要進行更多的實驗和觀測。
暗物質是否存在於每個星系中？
這是一個很有趣的問題，因爲暗物質是宇宙中最神秘的成分之一。暗物質的質量遠遠超過普通物質，因此暗物質通常被認爲是控制星系和星系團等大型結構形成的主導力量。所以，當今年早些時候，天文學家宣佈他們發現了一個幾乎不含暗物質的星系——NGC 1052-DF2時，這讓人感到很奇怪。耶魯大學的Pieter van Dokkum說：“暗物質顯然不是形成星系的必要條件。”
然而，在今年夏天，另一個團隊發表了一篇分析，認爲van Dokkum的團隊誤測了這個星系的距離，這意味着它的可見物質比第一次發現的要暗淡和輕很多，而且它的更多質量是由暗物質組成的。
因此，目前還沒有確鑿的證據表明有沒有不含暗物質的星系。大多數星系都被認爲含有暗物質，而且暗物質在星系中起着重要的作用。例如，暗物質可以幫助星系保持穩定和旋轉，也可以影響星系之間的相互作用和演化。如果沒有暗物質，我們看到的宇宙可能會完全不同。
DAMA/LIBRA實驗的結果是什麼？
這是一個很有趣的問題，因爲DAMA/LIBRA實驗是粒子物理學中一個長期的謎團。這個探測器位於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粒子的週期性振盪。這種振盪應該是由於地球在繞太陽運行的同時，穿越了環繞我們太陽系的暗物質流（有時被稱爲暗物質風）而產生的。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象。
要了解這個謎題，我們需要先了解一下暗物質是什麼。暗物質是一種神秘的物質，它不發光也不反射光，但它卻有着巨大的引力，影響着可見物質的運動。天文學家認爲大多數星系都被一個看不見的暗物質光環包圍着，就像一個隱形的氣球一樣。這些暗物質光環的形狀和大小可以影響氫環的位置和運動，因此通過觀測氫環，我們可以推斷出暗物質光環的性質。
如果暗物質是由一種或多種未知的粒子組成的，那麼它們應該與普通物質有一定的相互作用，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爲探測器。
DAMA/LIBRA實驗聲稱發現了暗物質粒子與鈉碘化晶體碰撞事件率的年度變化。這種變化被認爲是由於地球和銀河系暗物質暈之間相對速度的變化引起的，因爲地球在繞太陽運行時會有季節性的速度差異。這就像我們在風中騎自行車時感受到風速不同一樣。DAMA/LIBRA實驗認爲這種變化是由於暗物質風吹過鈉碘化晶體而造成的。
然而，這個結果並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的實驗都沒有發現任何類似的信號，而且有些實驗甚至排除了DAMA/LIBRA實驗所偏好的參數空間。
暗物質是否有電荷？
這是一個很有趣的問題，因爲暗物質是一種神秘的物質，它不發光也不反射光，但它卻有着巨大的引力，影響着可見物質的運動。天文學家認爲大多數星系都被一個看不見的暗物質光環包圍着，就像一個隱形的氣球一樣。這些暗物質光環的形狀和大小可以影響氫環的位置和運動，因此通過觀測氫環，我們可以推斷出暗物質光環的性質。
目前，我們對暗物質的性質還知之甚少。我們只能做出一些基本的假設和推測。例如，我們認爲暗物質：
佔據了宇宙中85%的物質，但只佔據了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。
可能存在於其他維度中，或者與暗能量有某種聯繫或統一的理論。
可能影響黑洞、恆星和行星，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：暗物質可能有電荷。這個想法是由於一種來自時間之初的信號而產生的。這種信號是由波長爲21釐米的輻射組成的，它是由宇宙初期（大爆炸後約1.8億年）的恆星發出的。然後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，它的特徵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。
如果暗物質真的有電荷，那麼它可能會與普通物質產生更強烈和複雜的相互作用。這可能會對我們對宇宙結構和演化的理解產生重大影響。
普通粒子能否衰變成暗物質？
中子是有限壽命的普通物質粒子。在大約14.5分鐘後，一個脫離原子的孤立中子會衰變成一個質子、一個電子和一箇中微子。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《物理評論快報》雜誌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粒子，那麼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測了中子的信號，尋找可能是暗物質的跡象，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。
暗物質是否真的存在？
鑑於科學家們在探測和解釋暗物質方面遇到的困難，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。這些觀點通常被稱爲“修正牛頓動力學”或MOND模型，它們認爲沒有暗物質，而恆星和星系以超快速度相互繞行的現象是由於引力以驚人的方式表現出來的結果。物理學家唐·林肯寫道：“暗物質仍然是一個未經證實的模型。”然而，反對者們還沒有說服更廣泛的領域接受他們的觀點。而最新的證據呢？它也表明暗物質是真實的。
有許多不同的角度證實了暗物質的存在，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構、星系的形成和演化、星系碰撞時的質量位置、以及星系團內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更多的物質。暗物質到底是什麼，目前還是一個謎。它可能是由一種或多種未發現的亞原子粒子組成的，比如弱相互作用大質量粒子（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粒子，但都沒有成功。