暗物质存在的证据是(暗物质的产生)

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　　到目前为止，有暗物质的最强有力的证据。

　　我们现在看到的这张图就是暗物质存在的最好证据。它于2006年被发现。它展示了两个星系团碰撞后的景象。那么为什么神秘的暗物质可以在星系团碰撞后出现呢？慢慢听我说。

　　我们知道宇宙中有数千亿个星系团。较小的星系团中有数百个成员星系，较大的星系团中有数千个成员星系。

　　每个星团的物质分布有点类似于单个星系。中心区域的星系密度可以更大，而且几乎都是大椭圆星系。然后越靠近星团边缘的星系越稀少，而且都是体积比更小的螺旋星系。

　　除了星系，星系团中还有两种物质。我们上次说过，一种是等离子体，也叫暖星系际介质，一种是中性气体，也叫冷星系际介质。

　　它们广泛分散在星系团中，也就是星系之间。它们的总质量比恒星物质大7倍，是星系团中主要的引力源。

　　如果我们现在承认星系团中暗物质的数量是普通物质的5倍，那么这些暗物质不仅会扩散到星系周围，还会扩散到星系团周围，并且会在星系团周围形成一个巨大的暗物质晕。

　　我们现在看到的是这张由哈勃太空望远镜拍摄的四个星系团的照片。我们可以通过可见光知道星系团中发光物质的分布，进而可以通过引力微透镜知道星系团的引力分布。如果我们认为星系团中暗物质的数量是普通物质的5倍，那么我们就可以知道暗物质的分布。图中粉红色的区域是分散在星系团周围的暗物质晕，比星系团大得多。

　　如果我们让两个星系团相撞，你认为会发生什么？我觉得要考虑三个因素星团里的恒星物质，星团里的气态物质，星团里的暗物质。

　　先说恒星物质。恒星存在于星系中。，我们会看到这样的星系。我们觉得星系中的物质密度相当大。星系碰撞的话，里面所有的物质肯定会混在一起，变成一锅粥。

　　其实并不是这样的。虽然恒星非常大，平均直径为1000万公里，但星系甚至更大。比如银河系直径10万光年，即使银河系有2000亿颗恒星，它们的分布也是非常稀疏的。例如，离太阳最近的恒星有4光年长。所以与它们之间的距离相比，星星就像灰尘一样。

　　所以，即使两个星系直直撞在一起，大部分恒星也不会发生碰撞，而是会穿越彼此的空间，只有少数恒星会被挤在一起。

　　那么星系团也是如此。如果一个星系团中有几千个星系，如果星系团发生碰撞，其规模也是非常大的，所以只有少数星系会发生碰撞，大部分星系会和平擦肩而过。

　　就像两个人用散弹枪互相射击。射出的子弹大部分会互相穿过，子弹碎片碰撞的几率非常小。

　　，如果两个星系团发生碰撞，恒星物质不会相互作用，而会很容易相互穿过。

　　接下来，我们说弥漫在星系团周围和内部的气体很容易想到。气态物质，包括等离子体，肯定不同于稀疏的恒星物质。即使气态物质非常稀薄，但当两个星系团高速碰撞时，其中的气体会充分相互作用，将动能转化为热能，并释放出强烈的X射线。

　　，当星系团发生碰撞时，我们可以在X射线波段看到，星系团中的气态物质会明显滞后于恒星物质的运动。

　　说一下暗物质。像气态物质一样，暗物质也大量分散在星系团内部和周围。，它们比气态物质分布更广。不同的是，当两个星系团碰撞时，暗物质和气态物质的行为是不同的。

　　它们不与普通物质碰撞，也不与自身碰撞。因为暗物质没有电磁相互作用，两个星系团碰撞后，暗物质不会升温，不会发光，也不会减速。像恒星物质一样，它们会更容易穿过彼此。

　　我们现在看到的图片展示了粉红色气态物质和蓝色暗物质在碰撞中的不同表现。显然，由于气态物质的相互作用，它们的运动滞后于暗物质。

　　因为这种差异，我们可以分辨出星系团中是否存在暗物质。你看，是这样的。我们知道气态物质的质量是恒星物质的7倍，暗物质的质量是所有普通物质的5倍。

　　那么如果暗物质不存在，那么星团碰撞后，引力的主要区域应该和气态物质的区域一致。如果暗物质存在，星团碰撞后，引力的主要区域将与恒星的位置一致。

　　如果现在能找到宇宙中刚刚碰撞后的星系团，就可以通过X射线观测确定碰撞后气体的物质，然后通过弱引力透镜，就可以看到碰撞后引力的主要区域在哪里。

　　如果两个位置重合，即气体云的位置是引力的主要位置，就说明没有暗物质；如果两个位置不重合，就说明存在没有电磁相互作用的暗物质。

　　其实找这个东西并不难。毕竟宇宙中有很多星系团。2006年，科学家发现了一个刚刚发生碰撞的星系团，称为子弹星系团。

　　通过X射线观测和弱引力透镜的分析，我们发现碰撞后的子弹星团，其主要引力区与气体位置错位，因为我们认为星团中存在暗物质。

　　其实就是我们一开始看到的图，分红区域是气体的位置，蓝色区域是重力集中的区域。可以看到引力比较大的地方是一些发光的恒星。

　　物质，物质的质量比气体小了很多，所以我们只能认为在恒星区域有我们看不到的暗物质，产生了巨大的引力。

　　所以说，这个发现就成为了暗物质存在的最有力的证据了。那么在往后的发展中，我们也看到了其他星系团碰撞以后的情况，都有力的表明了，子弹星系团的现象并非个例。

　　现在我们看到的是四个星系团碰撞以后的情况，有些星系团碰撞的时间只有几亿年，有些是20亿年前发生的碰撞，都可以看到光学信号和引力信号出现了位置偏差。这样的例子还有很多，比如下面这些星系团。

　　每一个都说明了暗物质的真实存在，并不是人类的胡思乱想。所以接下来的问题是，暗物质到底是啥？它都具有哪些性质？为什么我们找不到它？

　　现在我们认为暗物质是不存在于标准模型中一种尚未被发现的新型粒子，它的性质其实跟中微子有点像，没有电磁相互作用，没有强相互作用，只有很弱的弱相互作用和引力相互作用。

　　在以前我们也把中微子当作了暗物质粒子的候选粒子，不过事实证明，中微子并不是暗物质粒子，虽然它们的数量很多，跟微波背景辐射中光子的数量差不多，中微子的质量很小，我们知道目前有三种类型的中微子，包括电子中微子、μ子中微子、τ子中微子，我们不管这三种中微子它们的质量分别是多少，只要它们三个的质量加起来有11.2 eV。

　　那暗物质的问题就解决了，我们就可以认为，为星系提供额外引力的物质就是中微子，其实11.2 ev的质量并不高，你知道电子的质量是多少？51万 eV，这可是宇宙中第二轻的粒子。

　　所以说，我们对中微子的要求并不高，通过微波背景辐射以及中微子振荡，我们发现三种中微子的质量上限为0.18 eV，下限为0.06eV。

　　这差得很远，中微子不能解释质量缺失的问题。那中微子不行，标准模型中的其他粒子更不行，它们不是具有电磁相互作用，比如夸克和带电轻子，就是因为不稳定，比如一些重玻色子，所以都不能称为暗物质的候选粒子。

　　我们必须假设一种新粒子，它们没有电磁相互作用、有质量、稳定、冷。这里说的冷的意思是，这种粒子的动能要远低于自身的静止质量，或者说，这种粒子的静止质量至少要大于电子的2%。

　　这就是我们所说的冷暗物质模型，在冷暗物质模型中，有两种类型的候选粒子，一种是弱相互作用大质量粒子，简称WIMP，它们随着大爆炸跟普通物质一起诞生 。

　　一种类型的粒子跟上面说的性质基本上一样，只不过诞生的时间不同，它们没有跟普通物质一起诞生，而是在宇宙降温的过程中，因为发生了力的对称性破缺，所以一些粒子就衰变产生了暗物质粒子。这种类型的粒子被称为轴子。

　　还有一些其他的暗物质模型，以及候选粒子。不过，到今天为止，我们依旧没有发现任何暗物质粒子存在的信号，连一点蛛丝马迹都没有找到，但大量的证据又表明了宇宙中有质量缺失。所以说，不出意外的话，暗物质还真就成为了累世难解的谜题。

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