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宇宙中暗物质的最新研究. Pb01007007 李伟良. 长久以来，人们一直对宇宙的起源抱有诸多疑问。宇宙大爆炸理论认为，宇宙诞生之前，没有时间，没有空间，没有物质，也没有能量。约 150 亿年前，一个很小的点爆炸了，逐渐膨胀，形成了空间和时间，宇宙随之诞生，并经过膨胀、冷却演化至今，星系、地球、空气、水和生命便在这个不断膨胀的时空里逐渐形成。.
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宇宙中暗物质的最新研究 Pb01007007 李伟良
最近的天文观测和暴胀宇宙论研究表明，宇宙的密度可能由约70%的暗能，5%的发光和不发光物体，5%的热暗物质和20%的冷暗物质组成。也就是说，宇宙中竟有九成是看不见的暗物质，其中被称做可能是宇宙早期遗留至今的一种看不见的弱相互作用的重粒子--冷暗物质（DAMA）正是支持暴胀宇宙论的关键。最近的天文观测和暴胀宇宙论研究表明，宇宙的密度可能由约70%的暗能，5%的发光和不发光物体，5%的热暗物质和20%的冷暗物质组成。也就是说，宇宙中竟有九成是看不见的暗物质，其中被称做可能是宇宙早期遗留至今的一种看不见的弱相互作用的重粒子--冷暗物质（DAMA）正是支持暴胀宇宙论的关键。 宇宙中的暗能、暗物质的观测虽已获得一些可能的证据，但终究尚未被发现，这就是至今尚未解决的宇宙中的暗物质问题。另一方面，冷暗物质粒子的形成及运动规律是现有粒子物理标准模型所不能解释的，于是科学家们又找到一种新的物理模型--超对称粒子物理模型。
暗物质在宇宙结构的演化起着关键作用，所以证实这些“暗物质”的存在，是我们理解宇宙的至关重要的一步。现在关于暗物质的本原有许多理论，每一种对其在宇宙中分布的预言不尽相同，(右图是依照最近一个较为流行的理论预言所绘制的跨越1亿光年的暗物质结构图)。如果知道暗物质的实际分布情况，就能够帮我们进一步理解暗物质、理解宇宙。但是暗物质是“透明”的，不发射光线；那么我们怎们才能看到它们，了解它们的分布情况暗物质在宇宙结构的演化起着关键作用，所以证实这些“暗物质”的存在，是我们理解宇宙的至关重要的一步。现在关于暗物质的本原有许多理论，每一种对其在宇宙中分布的预言不尽相同，(右图是依照最近一个较为流行的理论预言所绘制的跨越1亿光年的暗物质结构图)。如果知道暗物质的实际分布情况，就能够帮我们进一步理解暗物质、理解宇宙。但是暗物质是“透明”的，不发射光线；那么我们怎们才能看到它们，了解它们的分布情况
贝尔实验室的科学家们创造了一种方法，用来给暗物质结构画幅图。贝尔实验室的这套摄像和软件技术，叫做“‘引力透镜’质量分布绘图术”，给我们开启了一扇观察宇宙的新窗口。它被用来研究宇宙中众多区域的暗物质聚集程度——从星系团周围的大质量的星系晕，到距地球30到60亿光年的大尺度暗物质结构演化。贝尔实验室的科学家们创造了一种方法，用来给暗物质结构画幅图。贝尔实验室的这套摄像和软件技术，叫做“‘引力透镜’质量分布绘图术”，给我们开启了一扇观察宇宙的新窗口。它被用来研究宇宙中众多区域的暗物质聚集程度——从星系团周围的大质量的星系晕，到距地球30到60亿光年的大尺度暗物质结构演化。 不管物质“暗”不“暗”，只要它有质量，光线就会依照其周围的引力场改变光路。如左图所示，有时来自背景星系的光线被弯曲得很厉害，因而就会在前景大质量星系团的周围看到其多个像，这就被称为“强引力透镜”现象。而科学家们就是依照背景星系光线被弯折的程度，来计算前景星系的质量分布，从而绘出暗物质分布图。贝尔实验室应用电荷耦合器件（CCD）技术，并利用哈勃太空望远镜 （HST）拍摄的遥远星系团的“宇宙蜃楼”图片（左图），构造了一幅高解析度的此星系团的暗物质分布图。
中国科学院高能物理研究所在寻找暗物质的研究方面一直活跃在国际前沿。1972年高能所云南高山宇宙线观测站曾观测到一个长寿命的重粒子的候选事例。许多科学家认为若此事例能被证实，则可能是暗物质的粒子。中国科学院高能物理研究所在寻找暗物质的研究方面一直活跃在国际前沿。1972年高能所云南高山宇宙线观测站曾观测到一个长寿命的重粒子的候选事例。许多科学家认为若此事例能被证实，则可能是暗物质的粒子。 由于经费等种种原因，目前中科院高能所参加了由意大利罗马大学牵头的意中DAMA合作组的冷暗物质粒子研究。为了避免各种信号干扰，意大利国家格朗萨索实验室建在一个高速公路穿过的山洞的岩石厚度有1000米。中意科学家研制的100公斤低本底碘化纳晶体阵列安装在意大利格朗萨索国家地下实验室，经过8年的实验，已经探测到这种物质粒子偶尔碰撞碘化纳晶体中的原子核时发出的微弱光线，已获得了这种信息的3个年调制变化周期，并据此推算出这种粒子很重，它的质量至少是质子的50倍。实验的初步结果提供了宇宙中可能存在一种重粒子，即冷暗物质粒子的初步证据。
遥远星系的形状和排列都是随机的（左图），除非受到引力透镜的作用（右图）遥远星系的形状和排列都是随机的（左图），除非受到引力透镜的作用（右图）
在上左图中，背景蓝星系有5个象。而象主要是由星系团中所有暗物质的合作用形成的，而在这些象附近的星系会添上自己的一份分效应。科学家们是怎么知道象主要是由暗物质引起的，而非 各个星系呢？其实，科学家们应用计算机对于上百万种质量分布情况进行模拟，然后和哈勃望远镜的这张图片进行比较，只有正确的质量分布才能符合哈勃图片显示的情形。这样来探测质量分布相当敏锐，左图就是以“等高线”的方式来显示星系团中的质量分布，结果表明，大部分暗物质都较为均匀地广布于达一百六十万光年尺度的星系团之中；在这广博的暗物质质量之渊中，单个星系的质量不过是其中的一滴 这个星系团中所有星系中恒星质量的总和仅为所有暗物质质量的二百五十分之一！也就是说，星系团中大部分质量也并非附于星系周围。右图是一幅模拟图，表明如果大部分质量附于星系的情况，显然与哈勃的照片严重不符。
由于当代的大型望远镜都配备有CCD，天文学家们得以探测更加微弱的光线。他们发现天空中布满了数十亿光年远的蓝星系；而任何地前景暗物质团都会使这张“蓝地毯”泛起皱褶，这被称为“弱引力透镜”效应（比如遥远的圆形星系由于弱引力透镜扭曲，会看起来是椭圆的）。利用这些星系象的扭曲，科学家们也可以构造出幅幅暗物质分布图。为了探索这些暗物质的分布，Tony Tyson和Gary Bernstein专门制做出一块大视场CCD 这是由四块一千六百万象素的CCD拼合而成，有127毫米宽。过去三年里，这个“海量相机”(Big Throughput Camera)，被放置于智利托洛洛山美洲天文台的四米望远镜的主焦点上。它拍出一张张1度大小天区的彩色图片，其中加起来共含有400，000暗星系。在配合功能强大的自适应光学软件，才制出了最后的图片。 左图是其中一张图片的局部放大，是一个星系团。中图是同一个天区的一张一度大小的彩色照片。右图就是这同一天区的暗物质分布
拍摄到宇宙中存在暗物质的新证据 • 钱德拉”X射线观测望远镜拍摄到存在宇宙暗物质的新证据，在“钱德拉”拍摄的编号为NGC 720遥远星系X射线照片上，可以清楚地看到其周围的炽热气体云团（见图1左）。但是该气团的取向并不与星系自身的取向一致，这从利用可见光谱拍摄的照片中可以看（右）。NGC 720星系位于离开地球约8000万光年的地方。
一个国际联合科研小组已经成功绘制了第一个详细的星系团暗物质分布图。这一分布图表明这种星系团正在吞噬其他独立星系继续增大，同时给暗物质的相关宇宙学理论进行提供了一种及时的检验途径。一个国际联合科研小组已经成功绘制了第一个详细的星系团暗物质分布图。这一分布图表明这种星系团正在吞噬其他独立星系继续增大，同时给暗物质的相关宇宙学理论进行提供了一种及时的检验途径。 科学家研究的该星系团编号为CL0024+1654，是宇宙中最大的结构之一。该星系团距离地球45亿光年，由于太暗而不能用肉眼观测到。事实上它在天空中占据了与满月类似大小的一个区域。 与所有星系团相似，该星系团80-85%的质量必定以一种“不可见”的暗物质形态存在，它们不释放辐射，只能通过它与其它可见物体之间的重力作用进行推测。 天文学家用哈勃太空望远镜对该星系团的39个区域进行了观测，但主要集中在了位于星系团极后部的星系上。这样做的目的是为了发现星系团对远距离星系重力作用所引起的星系团本身重力场的细微变形。这种弱重力透镜现象使研究人员能够推算出这个范围达2000万光年的星系团中质量及暗物质分布状况。
天文学家借助于“钱德拉”X射线观测望远镜完成了巨大星系团中暗物质分布的最新研究，由此得出，宇宙中约80%物质是冷暗物质——早期密实宇宙残留的神秘亚原子粒子。
一项有关宇宙暗能量的研究揭示出宇宙将比原先预计的要更长寿，长达240亿年，是原先估计的110亿年寿命的两倍多。一项有关宇宙暗能量的研究揭示出宇宙将比原先预计的要更长寿，长达240亿年，是原先估计的110亿年寿命的两倍多。 美国加州斯坦福大学天体物理学家AndreiLinde领导的研究小组最近公布了这一研究结论，他们表示，哈勃太空望远镜最近观测到的几个超新星离开我们的速度，比以前观测到的任何其他超新星都快，这暗示宇宙膨胀的速度超过了我们的想象。据此，研究人员称，在大塌陷(bigcrunch)前宇宙还可存在两倍于现在的年龄。 根据人类现有理论，宇宙是由一个原点爆炸产生的，但最终会出现大塌陷，导致宇宙消亡。研究人员表示，暗能量会在一定程度上抵消大量星系收缩的引力，使得宇宙大塌陷时间将后延。
将用于寻找暗物质的LSST • 使用大天区巡天望远镜（LSST）进行弱引力透镜的巡天观测。其中最关键的设备是1架8.4米的望远镜和其他2架超过4米的望远镜，这使得LSST具备了至少7平方度的视场。在许多的观测计划中，LSST预计将会发现30万个暗物质团块，并且对宇宙学参数进行更精确的测量——例如，测定暗能量的“状态方程”——精度可以达到大约2%。观测计划估计将从2011年开始。
劳伦斯伯克利国家实验室的天体物理学家绍尔·帕尔马特（Saul Perlmutter）领导的超新星研究小组希望能够发射超新星加速探测器（SNAP）。这个探测器将携带1架直径2米的大视场望远镜。通过回溯宇宙超过100亿年的膨胀历史来研究暗能量对宇宙演化的影响，同时它将会对弱引力透镜进行观测。 支持者希望这两个耗资巨大的项目不要冲突。对宇宙微波背景辐射的研究证明，通过精巧的设计地面上的或者气球上的望远镜也能进行重要的观测。之后的威尔金森宇宙微波背景辐射各向异性探测器（WMAP）只不过以更高的精度测定了先前观测的结果而已。一些天文学家认为这两项弱引力透镜的计划都应该进行。但是另一些天文学家相信SNAP会获得更好的结果。
