宇宙中每一個組成恒星、行星或氣體的原子,都有大約五倍多的所謂暗物質。物理學家們非常確信它就在那裏,但卻找不到它,甚至無法找出它的組成部份。在我們回答暗物質是什麽的問題之前,我們不會知道為什麽很難看到它的確切原因,但這並不意味著我們什麽都不知道。
我們怎麽知道暗物質是真的?
物體相互繞軌域執行的速度取決於它們的距離,也取決於其質素。我們透過觀察地球和其他行星繞太陽執行的速度來知道太陽有多重。當控制軌域速度的質素分散開來時,事情會變得更復雜,而不是在一個點上,但物理學家非常善於解決這類問題。
因此,當我們觀察附近星系中恒星的軌域速度,或巨型星系團邊緣星系的移動速度時,我們就知道有多少質素導致了這種運動。然而,當天文學家試圖估計這些星系中恒星的數量及其平均質素時,這些數碼並不匹配。可見恒星提供的質素幾乎不足以與它們對邊緣物體的影響相匹配。對恒星質素的估計可能很粗略——我們無法統計每一顆恒星,但這種差異太大,無法簡單地進行采樣。
少數科學家對此進行了解釋,他們認為重力在大尺度上的作用與我們基於太陽系內行星和衛星運動的模型不同。這個想法的一個版本已經得到了很多宣傳,但大多數物理學家認為這充其量是不可能的。
幾乎可以肯定的是,有一種物質有很大的質素,足以扭曲時空,影響其他一切的運動,但我們看不見:換句話說,暗物質。
重力透鏡提供了更多的證據。我們看到星系正在彎曲來自更遠物體的光,它們彎曲的光比可見恒星所能解釋的要多得多。
一旦人們普遍認為暗物質存在,就開始尋找暗物質的性質。當時,我們唯一知道的是暗物質會產生重力效應,即它有質素,而且至少用我們現有的儀器是看不到的。
為什麽我們看不到它取決於它是什麽
最初,兩種相互競爭的解釋很流行。一種提出的暗物質是由不發光的大物體組成的。如果位置合適,它們可能會反射光線,但距離恒星不夠近,無法反射有用的光線。天文學家想象著大量木星質素的物體在恒星之間的空間中漫遊。這些天體被稱為大質素致密暈天體(MACHO),這裏的暈是屬於星系的。
主要的替代方案是亞原子粒子,它們單獨是輕的,但數量之多令人難以想象,以至於它們可以共同提供缺失的質素。與MACHO相比,這些粒子被命名為WIMP(弱相互作用大質素粒子),這裏的大質素意味著「有質素」,而不是「巨大」,因為它們根本不是。
這些例子清楚地說明了為什麽「為什麽我們看不到暗物質?」這個問題沒有普遍的答案。如果暗物質是馬赫數,我們就看不到它,因為我們離這類物體不夠近。如果是WIMP,就不可能看到,但有了正確的檢測器材,我們可能能夠確認粒子的存在。
如今,馬赫假說已經不受歡迎了。各種指標告訴我們,如果有的話,這類物體在我們尋找的質素中只占一小部份。
如果沒有相反的數量,WIMP就不會被稱為WIMP,但存在我們不知道的亞原子粒子的可能性仍然存在。隨著時間的推移,越來越多合適粒子的候選者被排除在外,這一探索變得有點令人沮喪。只有當我們發現這些粒子時,如果我們發現了,我們才會知道是什麽讓它們躲避了我們這麽長時間。
有一些類別的亞原子粒子不屬於WIMP保護傘,但可能形成暗物質,如重微中子。盡管如此,答案還是一樣的——只有確定哪種類別的粒子是罪魁禍首,我們才能說出為什麽很難找到它。
對暗物質的搜尋遠不止是MACHOs與WIMP的對決。有人提出,星系外部的黑洞比我們所知道的要多得多。眾所周知,我們看不到黑洞,因為它們的重力非常強大,甚至光都無法逃脫。從技術上講,這些首字母縮寫與MACHO相匹配,但它們被認為是不同的。
我們發現黑洞要麽是透過尋找吸積盤發出的光,要麽是透過觀察它們將恒星拋向周圍的方式。在星系的外部,恒星很少,形成吸積盤的物質也很少,黑洞可能很豐富,我們永遠不會知道。解釋這些黑洞可能來自哪裏有很多問題,這就是為什麽這個想法沒有像一些替代方案那樣受歡迎的原因。然而,隨著其他可能性的消失,這一可能性可能會凸顯出來,為暗物質難以找到的原因提供了自己的解釋。