一、暗物質的神秘面紗
暗物質，這個神秘的宇宙物質，仿佛一個隱形的幽靈，時刻牽動著科學家們的好奇心。它不參與電磁交互作用，這意味著它既不反光、不發光，也不遮擋任何光線，與我們熟悉的可見光世界幾乎 「絕緣」。然而，它卻參與重力作用，這使得我們能夠透過重力效應來推測它的存在。
據科學研究，現代宇宙學標準模型認為，宇宙中除了約 4.9% 的重子物質，還存在約占 26.8% 的暗物質。暗物質就像一個巨大的謎團，籠罩著整個宇宙。比如，在星系和星系團中，天文學家發現，僅僅依靠可見物質的品質所產生的重力，根本無法解釋天體的執行規律。在銀河系級別的旋渦星系裏，千億顆恒星繞著星系中心快速運轉，若沒有額外的重力，這些恒星就會被甩到星系以外，令整個星系崩塌分解。而在規模更大的星系團中，星系之間彌漫著能夠放射線出 X 射線的高溫瓦斯，若沒有額外的重力，這些瓦斯早就消散在宇宙空間了。
正是這些重力異常現象，讓科學家們堅信暗物質的存在。暗物質理論也成為了宇宙學標準模型的基石之一，對宇宙結構的形成有著至關重要的意義。雖然我們目前只能透過重力效應來推測暗物質的存在，但科學家們從未停止探索的腳步，試圖揭開暗物質的神秘面紗。
二、暗物質的發現歷程
（一）早期觀測與辯論
在天文學的漫長發展歷程中，伽利略將望遠鏡對準天空，開啟了人類對宇宙深入探索的大門。他的這一舉措讓人們看到了更多的天體，也引發了無數科學家的思考，為後續的研究奠定了基礎。隨著天文攝影技術的發明，科學家們觀測到了密集恒星場中的暗區，這一現象引發了持續的辯論。這些暗區究竟是什麽？是尚未被發現的天體，還是某種未知的物質形態？這個問題成為了當時天文學界的一個熱門話題。
在星系動力學的研究中，克耳文勛爵、亨利龐加萊、恩斯特約皮克、雅各布斯卡普坦等科學家發揮了重要作用。他們從動力學角度對銀河系中暗星體數量進行估計，為暗物質的研究逐漸奠定了基礎。例如，克耳文勛爵透過對天體運動的研究，提出了一些關於暗物質存在的假設。他認為，天體的運動規律可能暗示著存在一種不可見的物質，這種物質對天體的運動產生了影響。亨利龐加萊則在數學和物理學領域的貢獻，為暗物質的研究提供了新的思路。他的理論為後來的科學家們提供了一種思考暗物質的新角度。恩斯特約皮克和雅各布斯卡普坦透過對銀河系中星體分布的觀測和分析，進一步加深了人們對暗物質存在的認識。他們發現，銀河系中的星體分布並不均勻，這可能是由於存在一種不可見的物質，影響了星體的分布。
（二）關鍵人物的貢獻
瑞士天文學家弗裏茨茨維基在 1933 年對後發座星系團的研究，為暗物質的發現奠定了重要基礎。後發座星系團規模超大，擁有數千個星系，離我們大約 3.3 億光年。茨維基透過測量這些星系的譜線的紅移或藍移，不但得出了這個星系團遠離我們而去的平均速度，還掌握了每個成員星系相對於該平均速度的速度。在追加測量了各個成員星系與星系團中心的距離之後，他還得到了各成員星系相對星系團中心公轉的粗略狀況。由於既熟悉星系團的運作機制，又知道星系需要重力才能維持成團的狀態，他就計算了整個星系團需要多大的總品質才能保證成員星系不會四散逃走。而當他把計算結果與根據星光推算出的總品質數值進行比較時，他發現兩個數值相去甚遠，於是用德文創造了一個新術語 「dunkle materie」（英文是 dark matter），即 「暗物質」。
美國天文學家魯比和福特在觀測旋轉星系時，也為暗物質的存在提供了重要證據。他們發現，在一個旋轉星系中，靠近中心區域的恒星和遠離中心區域的恒星，旋轉的速度幾乎相同。這與牛頓的重力定律不符合。根據牛頓的重力定律，靠近中心區域的恒星應該旋轉得更快，而遠離中心區域的恒星應該旋轉得更慢。這就意味著，在旋轉星系中存在著一種看不見但卻有很大品質的東西，在提供額外的重力，使得恒星的旋轉速度保持平衡。魯比和福特也把這種東西稱為 「暗物質」，並估計了它在旋轉星系中所占比例。
三、暗物質的特性
（一）基本性質
暗物質具有獨特的基本性質。首先，它不發光，這使得我們無法透過常規的光學觀測手段直接看到它。然而，它卻具有重力作用，能夠對周圍的物質產生重力影響。這種重力效應是我們推測暗物質存在的重要依據之一。
暗物質的壽命非常長，這意味著它在宇宙的漫長演化過程中能夠保持相對穩定的存在狀態。此外，暗物質主要是 「冷」 的，這裏的 「冷」 指的是暗物質體子的運動速度極其緩慢。這種緩慢的運動速度使得暗物質在宇宙結構的形成過程中起到了重要的作用。
暗物質體子間的交互作用非常弱。與普通物質相比，暗物質體子之間的交互作用強度要低得多。這也是暗物質難以被直接探測到的原因之一。
（二）可能的組成
關於暗物質的可能組成，科學家們進行了大量的分析和研究。目前，許多粒子模型被提出，但經過分析，一些帶電的、品質輕的、不穩定的粒子被排除在外。因為暗物質不參與電磁交互作用，所以帶電粒子不太可能是暗物質的組成部份。品質輕的粒子通常具有較高的運動速度，與暗物質 「冷」 的特性不符。而不穩定的粒子在宇宙的漫長演化過程中難以保持穩定存在，也不太可能是暗物質的主要組成。
透過對各種粒子模型的分析和排除，科學家們推測暗物質體子很可能是一種未知的新粒子。這種新粒子不參與強交互作用和電磁交互作用，只可能參與弱交互作用和重力作用。它的性質與我們目前所熟知的粒子有著很大的不同，需要透過更加深入的研究和探測來揭示其本質。
（三）難以確定性質的原因
暗物質之所以難以確定其性質，主要有以下幾個原因。首先，暗物質不參與強交互作用和電磁交互作用。這使得我們無法透過常規的觀測手段，如光學觀測、電磁探測等，來直接探測到暗物質的存在。我們在觀測天體時，通常使用的是電磁交互作用，即透過天體發出的光子來到地球被我們捕獲到，而暗物質不與光子發生作用，因此我們無法用常規手段觀測到它。
其次，暗物質只可能參與弱交互作用和重力作用。弱交互作用的強度非常弱，發生機率也極低。這使得暗物質與周圍物質的交互作用非常微弱，難以被探測到。此外，重力作用雖然是普遍存在的，但由於暗物質的品質分布和性質未知，透過重力效應來確定暗物質的性質也非常困難。
綜上所述，暗物質的特性使得它成為了宇宙中一個神秘而難以捉摸的存在。科學家們正在透過各種手段，不斷努力探索暗物質的本質，希望能夠揭開這個宇宙謎團。
四、暗物質的探測方法
（一）模擬宇宙大霹靂
歐洲大型強子對撞機是目前世界上最大的強子對撞機，其設計目標是將兩個反向回旋的質子束流進行對撞，質子束流的總能量最高達 14 萬億電子伏特。科學家們期望透過這種方式模擬宇宙大霹靂的極端條件，有希望發現暗物質體子的存在證據。因為理論上，在宇宙大霹靂初期，可能產生了各種粒子，其中也包括暗物質體子。雖然暗物質體子即使被制造出來也不會被探測器發現，但可以透過其他可見粒子的損耗能量來推斷出是否有這樣的粒子產生。至今所有的加速器實驗還沒有發現暗物質體子的跡象，但科學家們仍在不斷努力，希望在未來能夠有所突破。
（二）探測碰撞訊號
如果銀河系暈中含有弱交互作用大品質粒子（WIMPs），那麽地球表面每平方厘米在每一秒鐘都會有數百乃至數千個 WIMPs 穿過。WIMPs 在穿過地球時，有一定的機率與地球上的原子發生彈性碰撞，從而引起原子的反沖，地基試驗可以探測這種反沖訊號，進而確認 WIMPs 的存在。當前主要的探測技術有兩種：一是低溫探測器，工作在 100mK 以下的探測器，探測 WIMPs 碰撞晶體如鍺等時產生的熱量；二是諾布爾液體（Noble liquid）探測器，探測 WIMPs 碰撞液態氙或氬引起的閃光。地基探測試驗裝置都被深埋在底下，從而可以最大程度地降低宇宙線等其它粒子與原子碰撞作用訊號的幹擾。例如，中國在四川錦屏山隧道地下 2400 米深處就建有實驗室，科研人員在不間斷執行的儀器旁凝神尋找暗物質的蹤跡。這裏，層疊的巖石遮蔽了大部份宇宙射線產生的幹擾訊號，使得暗物質體子穿過探測器與原子核相撞時更容易被發現。
（三）空間間接探測
如果暗物質體子被宇宙天體俘獲湮滅，可能會產生次級粒子，這樣可以透過探測在太空中湮沒粒子所產生的單能峰或 e 能譜邊緣來辨識暗物質體子。一種有效的方法是透過探測在太空中湮沒粒子所產生的單能峰或 e 能譜邊緣來辨識 WIMPs。例如，中國暗物質體子探測衛星 「悟空」 號以約每 95 分鐘繞行地球一周的速度，一刻不停地搜集著宇宙射線的資訊，試圖從中捕捉關於暗物質的蛛絲馬跡。「悟空」 號相當於在宇宙中放置了一台除去大氣層面紗的 「超高畫質望遠鏡」，科學家們試圖從中尋找並分析暗物質自身衰變或者相互碰撞時可能會產生的可見粒子。截至目前，「悟空」 號記錄了上百億個高能宇宙射線事件，在暗物質直接和間接探測上提供了大量線索。
五、中國的暗物質探尋之路
（一）「悟空號」 的結構
「悟空號」 暗物質體子探測衛星是中國科學院空間科學戰略性先導科技專項中首批立項研制的 4 顆科學實驗衛星之一。它由一個塑膠閃爍探測器、矽微條、鎢板、電磁量能器和中子探測器組成。其中，塑膠閃爍體探測器用於區分電荷；矽陣列探測器測量宇宙線的方向和電荷；BGO 量能器最為重要，用於測量宇宙線的能量；中子探測器用於區分質子和電子。不同的探測器協同工作，使得 「悟空號」 能夠以前所未有的靈敏度和能量範圍探測電子、光子和宇宙射線。
（二）「悟空號」 的功能
「悟空號」 主要功能是在空間中開展高能電子及高能Gamma射線探測任務，探尋暗物質存在的證據，研究暗物質特性與空間分布規律，同時也有望在高能 γ 射線天文方面有新發現。它可以探測高能Gamma射線、電子和宇宙射線，從各個方向掃描太空中的物質，並將探測結果傳入地面控制中心，科研人員根據收集到的數據對其觀測數據進行定位，利用正反暗物質體子碰撞後的 「殘骸」 去進一步觀測宇宙中的暗物質，了解暗物質體子本身的性質，即 「暗物質體子的間接探測」。
（三）「悟空號」 的優勢
「悟空號」 是目前世界上觀測能段範圍最寬、能量分辨率最優的暗物質體子探測衛星。對於電子和光子，探測範圍是 5GeV - 10TeV，在 800GeV 的能量分辨率為 1%；對於宇宙射線，探測範圍為 100GeV - 100TeV 能區，在 800GeV 的能量分辨率優於 40%。對於電子和光子，幾何因子是約 0.3mSR，對於宇宙射線大約 0.2mSR。100GeV 的角分辨率為 0.1°。
（四）「悟空號」 的主要科學目標
「悟空號」 的主要科學目標是以更高的能量和更好的分辨率來測量宇宙射線中正負電子之比，以找出可能的暗物質訊號。同時，它也有很大潛力來加深人類對於高能宇宙射線傳播機制的理解，也有可能在高能 γ 射線天文方面有新發現。透過對高能宇宙射線的觀測，「悟空號」 試圖尋找暗物質體子存在的證據，並開展宇宙射線起源及Gamma射線天文方面的相關研究。
六、暗物質對宇宙的影響
（一）對星系形成的作用
暗物質在星系形成過程中起著至關重要的作用，它是星系和星系團形成的基礎，為可見物質的聚集提供了重力。據估計，大約 85% 的宇宙物質是暗物質，而只有 15% 是我們所能夠直接觀測到的物質。在星系形成的早期，暗物質透過重力作用促進了物質的聚集，使得可見物質能夠逐漸形成星系和星系團。
暗物質的存在使得星系的結構更加穩定。例如，在銀河系級別的旋渦星系裏，千億顆恒星繞著星系中心快速運轉，若沒有暗物質提供的額外重力，這些恒星就會被甩到星系以外，令整個星系崩塌分解。在規模更大的星系團中，星系之間彌漫著能夠放射線出 X 射線的高溫瓦斯，若沒有暗物質的重力，這些瓦斯早就消散在宇宙空間了。
此外，暗物質還影響著星系的旋轉曲線。根據牛頓力學，星系內的物質應該受到中心重力的束縛，導致離中心較遠的物質運動速度減緩。但是觀測結果卻顯示，星系的旋轉曲線幾乎是平坦的，這意味著星系內必須存在大量的額外物質，即暗物質。暗物質的重力使得星系邊緣的恒星能夠以與中心恒星相似的速度旋轉，從而維持了星系的穩定結構。
（二）對宇宙未來的影響
暗能量決定宇宙命運，而暗物質與暗能量的交互作用可能導致宇宙走向不同的結局，如大撕裂、大塌縮或大凍結末日。
如果暗能量足夠強大，它會使得空間無限膨脹加速，直到所有的星系、恒星、原子都被撕裂成碎片，這就是所謂的大撕裂末日。在這種情況下，暗能量的斥力將遠遠超過暗物質的重力，宇宙將無法停止膨脹，最終走向淪陷。根據科學家的計算，大撕裂發生的時間約為 550 億年至 900 億年後。不過，這個時間還存在很大的不確定性，因為我們對暗能量和暗物質的了解還非常有限。
如果暗能量足夠弱，它會被重力所克服，空間會停止膨脹，甚至開始收縮，直到所有的物質都被壓縮到一個無限小無限密的點，這就是所謂的大塌縮末日。在這種情況下，暗物質的重力將重新占據主導地位，宇宙將開始收縮，最終可能會形成一個巨大的黑洞。然而，目前的觀測結果顯示，宇宙似乎正在加速膨脹，這意味著暗能量目前仍然占據著上風，大塌縮末日的可能性相對較小。
如果暗能量剛好平衡，空間會無限膨脹，但速度會趨於一個常數，直到所有的物質都耗盡而變成黑暗。這就是所謂的大凍結末日。在這種情況下，暗物質和暗能量將達到一種平衡狀態，宇宙將繼續膨脹，但速度會逐漸減緩。最終，所有的物質都將耗盡能量，宇宙將變得一片黑暗和寒冷。
目前最流行的假設是，暗能量是空間本身固有的性質，也就是愛因史坦提出的宇宙常數。如果這個假設成立，那麽我們的宇宙可能會走向大凍結末日。然而，我們對暗能量的理解還很不完善，也許未來還會有更多的發現和突破。也許我們會找到一種方法來控制或者利用暗能量，改變宇宙的命運。也許我們會發現其他更高層次或者更深層次的物理規律和現象，超越暗能量的概念。
總之，暗物質對宇宙的影響是深遠而復雜的。它不僅是星系和星系團形成的基礎，還與暗能量交互作用，決定著宇宙的未來命運。雖然我們對暗物質和暗能量的了解還非常有限，但科學家們正在透過各種手段不斷探索，希望能夠揭開宇宙的奧秘，理解我們在宇宙中的位置和角色。
