暗物质会不会是宇宙空间本底的空间起伏？ 第1页

暗物质不会是“宇宙空间本底的空间起伏”。观测证据显示宇宙空间非常平直。

在谈论“微小起伏”和“洼地”的时候，你对星系的规模似乎有什么奇怪的误解。暗能量的一部分模型可以有些不均匀性，那和暗物质没有关系。

狭义的暗物质是不参与电磁相互作用的，并非“现在科学仪器探测不到”：人类可以借助弱相互作用和引力相互作用观测到暗物质，也可以通过电磁相互作用观测暗物质对其它物质的影响而间接观测暗物质。人类修建的暗物质粒子探测设备在基本排除宇宙线与自然本底辐射影响后已经观测到一些东西撞击原子核产生的信号，它的变化规律不能归结到太阳系内已知天体的活动上。

广义的暗物质是在我们目前的条件下不能靠电磁波观测的东西，包括重子暗物质和非重子暗物质^[1]。重子暗物质是参与电磁相互作用的，例如非常稀薄的星际分子云、附近缺乏光源的星际行星和褐矮星、遥远的晕族大质量致密天体（中小型黑洞、中子星、较暗的白矮星）。你的身体也主要是重子物质。观测不到一部分重子物质，是因为对我们手里的望远镜来说目标在其距离上看起来光度太低，而它实际上未必暗到哪去。要知道，以我们现在贫弱的观测能力，100光年内可能还有尚未发现的若干颗红矮星及围绕它们运转的大量行星。

非重子暗物质是不参与电磁相互作用的东西，也就是狭义的暗物质，可根据运动速度分为热暗物质、温暗物质、冷暗物质。

热暗物质粒子的运动速度接近真空光速，例如中微子，人类已经知道中微子不参与电磁相互作用而参与弱相互作用。中微子可以被专门设计的大科学装置观测，例如日本的超级神冈探测器。

1998年，超级神冈探测器首次发现了中微子震荡的强烈证据，其观测到了μ子中微子转变为τ子中微子的现象，显示中微子具有质量。梶田隆章在该年的“中微子物理学·宇宙物理学国际会议”上发表该结果，以此研究获得2015年诺贝尔物理学奖。

温暗物质粒子的运动速度足以产生相对论效应，但距离真空光速尚远，例如惰性中微子^[2]，在标准模型里它只参与引力相互作用；

冷暗物质粒子的运动速度远低于真空光速，目前认为可能由大质量弱相互作用粒子（例如最轻的超中性子^[3]）组成，也有轴子等假说（一些学者对轴子的存在很没有信心）。

当然，足够多的重子暗物质可以直接覆盖冷暗物质的功能。也有一些学者希望用大量的原初黑洞来解释暗物质。

引入暗物质的概念是为了解释星系自转问题等表现出异常引力的观测事实，不同星系自转的情况有差异，有些需要的暗物质含量几乎为零，有些则异常多。暗物质也在大尺度结构形成过程的模拟中成功解释了星系团动力学，并正确地预测了引力透镜观测的结果。

在历史上，最早提出暗物质相关证据的是扬·亨德里克·奥尔特，在1932年他根据银河系恒星的运动提出银河系应该有更多的质量。

1933年，弗里茨·兹威基在研究后发座星系团时，使用维里定理推断其内部有看不见的质量。

1959年，Louise Volders指出螺旋星系M33的转动不遵循开普勒定律^[4]。

到了1970年代，这情况扩展至许多其他的螺旋星系。

本来，人们觉得在螺旋星系盘面上的物质（例如恒星和气体）环绕星系中心核球旋转的轨道应该与太阳系的行星一样遵循牛顿力学，在足够远的距离上，天体的平均轨道速度应该依照质量分布递减，与轨道距离的平方根成反比。而观测事实是，中心核球外的轨道速度相对于距离几乎是个常数。

薇拉·鲁宾推测在远离星系中心的地方有不发光的庞大质量拉住星系外侧的物质，在1980年将结果发表为一篇有影响力的论文^[5]：

2006年，美国天文学家利用钱德拉X射线望远镜对星系团1E 0657-558进行观测，无意间发现这个星系团是两个大星系团碰撞形成的，此撞击使暗物质与正常物质分开，成为暗物质存在的直接证据^[6]：

钱德拉望远镜利用X射线探测到的灼热气体在这张照片中显示为两个粉红色团块，包含了这两个星系团中大部分常规物质。蓝色则是其大部分质量所在的地方，这是由引力透镜效应显示的：来自遥远物体的光被质量引起的空间弯曲所扭曲，扭曲程度大大超过热气体造成的影响。而这部分质量并不发出可见光。

在碰撞过程中，热气体会发生相互作用而受到阻力，而不参与电磁相互作用的暗物质不会因撞击而减慢，造成暗物质与常规物质分离。

科学家们发现螺旋星系NGC 4736的旋转能完全依靠可见物质的引力来解释，也就是说这个星系几乎没有暗物质。

与此同时，蜻蜓44等星系的暗物质含量达到了物质的300倍左右^[7]。

宇宙的固有性质是不能一会有效一会无效的。这就说明暗物质不是“空间的固有性质”“距离产生的观测偏差”之类。

要假定暗物质不存在，能接替的已知手段有：修改引力理论，建立完善的量子引力理论，将额外的引力场归结于量子真空，选择等离子宇宙论。

• 等离子宇宙论假定宇宙中99%的物质是等离子态、电磁力在大尺度上压倒引力并决定星系的自转等现象。这是非标准宇宙论，在暴涨宇宙论的各种铁拳证据面前很难站得住。
• 所有对引力动手的办法都是在牛顿和爱因斯坦的基础上修修补补来解释星系自转问题，但它们会带来更多的问题。量子引力是统一引力与量子力学的重要理论，但目前还没建立起来。

对中微子进行探测和研究的大型项目，例如即将投入运行的江门地下中微子实验观测站和正在建设的欧洲KM3NeT，是目前较有希望的暗物质观测计划。中微子探测器极高的灵敏度和为排除宇宙线·本底辐射干扰而施加的厚重防护也适于探测意料之外的新发现，例如速子、额外次元、微黑洞、惰性中微子和其它暗物质粒子。对中微子振荡的研究本身就可能导向惰性中微子存在的证据^[8]。
中微子探测器也能用于天文观测。2018年7月12日，冰立方中微子天文台宣布于2017年9月侦测到1颗来自37亿光年外的猎户座耀变体TXS 0506+056的中微子。这是人类第一次使用中微子探测器来定位太空中的物体。
计划中的精密冰立方中微子观测站升级将允许检测低能量中微子来尝试确定中微子质量等级、检测τ中微子、寻找大质量弱相互作用粒子湮灭。IceCube-Gen2的远景规划也已经提出来了。
目前还没有探测宇宙中微子背景辐射的方案，这也是今后可能的方向。

暗能量（dark energy^[9]）是现代宇宙论和天文学中为解释宇宙加速膨胀这一观测事实而提出的假说中存在的、几乎均匀而各向同性地充满了空间的、产生负压推动宇宙加速膨胀的能量形式，不与普通物质产生引力之外的已知相互作用^[10]。

在当前使用的宇宙学标准模型中，根据不同的观测手段给出的实测值，暗能量拥有宇宙中68.3%~74%的质能。2020年，美国加州大学河滨分校的研究团队得出的最新测量结果^[11]是，物质和暗物质合计占宇宙总质能的31.5±1.3%^[12]，其余是暗能量。

题目中“地球外面”的限定是没有必要的，按照现有的理论，地球所处的空间中也充满了暗能量，暗能量时刻都在穿透你的身体。

目前常见的暗能量模型有两种：

• 宇宙学常数，描述了均匀地充满空间的恒常能量密度，可以等价于真空能量。

使用量子场论直接算出的真空能量密度，要比实测显示的暗能量密度大一百多个数量级。
超对称理论可以帮助抵消大部分真空能，但又难以解释超对称破缺的具体机制，这方面还在探索之中。

• 标量场，描述了能量密度随着时空而变化的动力学场，可以等价于第五元素或模空间。

这类理论允许暗能量有微小的不均匀性。
一部分标量场理论预言，暗能量的能量密度将随时间流逝而不断增加，直到将宇宙中的一切物质撕裂为基本粒子。这称作“大撕裂”。另一些理论将标量场的动能设为负值。

暗能量密度约 克每立方米，不在现代观测技术可直接测定的范围之内。现阶段，暗能量存在的证据是间接的：

• 1998年，高红移超新星搜索队^[13]和超新星宇宙论计划^[14]对Ia型超新星的观测给出的遥远星系的距离与红移量显示，宇宙在加速膨胀，因此宇宙的总质能的百分之七十将是暗能量。
• 2011年，WiggleZ计划调查了银河系附近的二十万个星系，利用大小几乎一致的空洞作为标准尺校正这些星系到地球的距离，测量这些星系的红移量，得出了宇宙从约66.2亿年前开始加速膨胀的结论^[15]。没有已知的基本力能解释这样的观测事实。
• 宇宙的空间曲率接近平坦，或是略微弯曲而封闭，暴胀理论认为宇宙的空间曲率在 到 ，显示其物质密度应该近似等于大爆炸理论中的临界密度。但是，通过宇宙微波背景辐射测得的暗物质和通常物质的总量跟临界密度实在差太远了，常规物质只能满足实测值的2%到5%，暗物质也只能满足约25%。

总之，各种手段测得的暗能量占宇宙质能总量的七成左右，应当显著影响宇宙整体的演化。“如何改进观测精度来直接测定暗能量”是目前宇宙论的重要课题之一。

也有其它非标准模型试图将暗能量塑造得更加怪异，例如描述暗能量聚集而成的暗能量星，散布在空洞之中、具有类似黑洞的表现，产生压倒性强大的斥力。

参考

1. ^ http://pdg.lbl.gov/2010/reviews/rpp2010-rev-dark-matter.pdf
2. ^ https://science.sciencemag.org/content/317/5844/1527.abstract
3. ^超对称假设的一种马约拉纳费米子 https://arxiv.org/abs/hep-ph/9709356v5
4. ^ http://articles.adsabs.harvard.edu/cgi-bin/nph-iarticle_query?bibcode=1959BAN
5. ^ https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1980ApJ...238..471R
6. ^ https://chandra.harvard.edu/photo/2006/1e0657/
7. ^ 2016年的观测数据认为有一万倍，2020年的最新数据是300倍左右 http://dx.doi.org/10.1093/mnras/staa3016
8. ^ https://arxiv.org/abs/1805.12028
9. ^ 这个词语在1998年由美国理论物理学家迈克尔·特纳提出
10. ^ 电磁相互作用、强相互作用、弱相互作用
11. ^ 方法是首先开发利用星系的轨道来测量星团质量的工具，借此分析斯隆数字化巡天提供的观测数据，创建公开的星团目录GalWCat19，将该目录中的星团数量与模拟结果进行比较，确定出宇宙中物质的总量
12. ^ 物质和暗物质中的约20%是重子物质（恒星、星系、原子、生命等）。
13. ^ https://doi.org/10.1086%2F300499
14. ^ https://doi.org/10.1086%2F307221
15. ^ https://arxiv.org/abs/1105.3470