暗物質是一種假設的無形物質，被認為是造成星系和其他物體重力增加的因素。首先，它是黑暗的，這意味著它不是我們所看到的恆星和行星形式。第二，它不是以正常物質的烏雲的形式出現，而是由稱為重子的粒子組成的物質。我們之所以知道這一點，是因為我們能夠透過吸收穿過它們的輻射來檢測重子云。第三，暗物質不是反物質，因為我們看不到反物質吞滅物質時產生的獨特伽馬射線。

由於星系中可見物質的數量無法解釋它們的形狀，分佈和運動，天體物理學家認為必須存在一種尚未發現的質量形式。 該質量似乎沒有以任何其他方式顯著影響正常物質，例如透過吸收或發射光子，使其完全“變暗”。儘管進展甚微，研究人員仍在繼續縮小“遺漏物質”的特徵，並對可能的情況有一些想法。 如果存在，暗物質將會佔宇宙質量的85%，佔宇宙能量密度的25%

物理學家將暗物質歸類為大質量弱相互作用粒子（WIMPS）。 這些重粒子不會與電磁電荷相互作用，但仍可以透過弱核力與正常物質交換細節，這意味著從理論上講我們仍然可以發現它們。此外， 低質量、低射程的粒子稱為軸子，但從未見過，但可以解釋為什麼量子物理學中一些奇怪的鏡面反轉看起來並不像它們應該的那樣。 由於它們會分解成我們可以看到的東西，因此我們也許可以發現它們，前提是如果它們存在的話。

暗物質很可能不是什麼普通的物體，而是以異常的方式起作用，它也不是由新型材料製成。可能宇宙裡沒有足夠的物質來構成整個物質的85％。

目前，物理學家不斷地測試來檢驗愛因斯坦的廣義相對論，試圖找到最小的差異，以防萬一存在一些擺動空間，而這些擺動空間可以提供一種方法去解釋暗物質而無需新的粒子或奇怪物體的介入。

到目前為止，廣義相對論仍然看起來不錯。

暗物質究竟是什麼東西？

♛科學家們一直認為有一種看不見物質在維繫著宇宙。下面是描述暗物質的特性的說法。之所以叫它“暗物質”而不是物質，就是因為它與一般的普通物質有著根本性的區別。普通物質就是那些在一般情況下，能用眼睛或藉助工具看的見、摸得著的東西，小到原子、大到宇宙星體，近到身邊的各種物體，遠到宇宙深處的各種星系。普通物質總是能與光或者部分波發生相互作用，或者在一定的條件下自身就能發光、或者折射光線，從而被人們可以感知、看見、摸到或者藉助儀器可以測量得到，但是暗物質恰恰相反，它根本不與光發生作用，更不會發光，因為不發光又與光不發生任何作用，所以不會反射、折散或散射光即對各種波和光。它們都是百分之百的透明體!所以在天文上用光的手段絕對看不到暗物質，無論你用無線電波、電磁波、紅外射線、γ射線、x射線，這些東西對暗物質毫無作用。正是由於具有不被人們的感知所感覺，也不被各種儀器所觀測，科學家為此將其區分普通物質和這種特殊的物質，將其定義為“暗物質”。

♛說到這裡不得不提及另外一種與暗物質有著千絲萬縷聯絡的東西，人們稱之為“暗能量”。暗能量相比暗物質更是奇特的有過之而無不及。因為它只有物質的作用效應，而不具備物質的基本特徵。所以都稱不上物質，故而將其稱之為“暗能量”。暗能量也是一種被人們感覺不到，也無法測試到的。都是透過人們的理性思維來預測存在的東西。

♛暗物質和暗能量被認為是宇宙研究中最具有挑戰性的課題。它們代表著宇宙中的90％以上的物質含量。而如今地球人類可以用眼睛看到的物質只僅佔宇宙總物質的10％不到(約5％)。由於暗物質無法觀測得到，現在的天文學家都是透過“引力透鏡”、宇宙中大尺度結構形成、微波背景輻射等發現暗物質它干擾星體發出的光波或引力，其存在能夠被明顯的感受到的。

♛ 引力透鏡:它是引力場源對位於其後的天體發出的電磁輻射，所產生的會聚或多重成像效應。因類似凸透鏡的匯聚效應因而得名。引力透鏡效應是阿爾伯特愛因斯坦的廣義相對論所預言的一種現象，由於時空在大質量天體附近會發生畸變，使光線在大質量天體附近發生彎曲(光線沿彎曲空間的短程線傳播)。如果在觀測者到光源的視線上有一個大質量的前景天體，則在光源的兩側會形成兩個像，就好像有一面透鏡放在觀測者和天體之間一樣，這種現象稱之為引力透鏡效應。對引力透鏡效應的觀測證明阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論確實是引力的正確描述。

暗物質目前只是作為一種假設物質理論存在，為了幫助大家更好理解暗物質是什麼，本文將詳細地闡述暗物質理論的起源、以及暗物質理論存在問題和麵臨嚴峻挑戰。

圖注：大型強子對撞機正在尋找暗物質候選者。

許多精通科學的人理所當然地認為，宇宙不僅由物理學家卡爾·薩根（Carl Sagan）的"數十億和數十億"星系組成，而且是由一種叫做暗物質的隱形物質構成的。這種奇怪的物質被認為是一種新型的亞原子粒子，它不透過電磁學相互作用，也不透過強和弱的核力相互作用。在宇宙中，暗物質是普通原子數量的五倍。

然而，現實中暗物質的存在尚未得到證實。暗物質仍然是一個假設，儘管是一個相當支援的假設。任何科學理論都得做出預測，如果正確的話，那麼你所做的測量應該與預測一致。暗物質也是如此。例如，暗物質理論預測星系的旋轉速度是由於暗物質存在導致。但是，直到現在，對低質量星系中心的詳細暗物質分佈的測量與這些預測並不相符。

最近的計算改變了這一點。計算有助於解決塔利-費舍爾關係的難題，這種關係將星系的可見或普通物質與其旋轉速度進行比較，用非常簡單的術語來說，科學家們發現，螺旋星系質量越大（因此越亮），它旋轉得越快。

但是，如果暗物質存在，星系的"大"不僅應該由它的可見物質決定，還要由它的暗物質決定。 由於方程式中缺少一大塊——暗物質的數量——圖利-菲舍爾關係不應成立。然而，它確實成立。很難想象有什麼辦法來調和這種關係與現有的暗物質理論。

暗物質起源

最早認為需要暗物質這種東西可以追溯到1932年。荷蘭天文學家揚·奧爾特測量了銀河系內恆星的軌道速度，發現它們移動得太快，無法用觀測到的星系質量來解釋。

圖注：薇拉·魯賓和肯特·福特發現，星系邊緣的恆星，如仙女座星系（如圖所示）的速度比預想的要快。暗物質可以幫助解釋這些星系旋轉的差異。

恆星以近乎圓形的路徑繞著母星系執行，而引力是將這些恆星固定在這些軌道上的力。牛頓方程預測，使恆星在圓形軌道上運動的力F（圓形）應等於恆星所受星系的引力，否則恆星將飛入太空或墜落到星系中心。對於那些記得高中物理的人來說，F（圓形）是慣性的一個陳述，牛頓的F（引力）= ma，這是牛頓的萬有引力定律。

在星系中心附近，魯賓和福特發現F（圓形）大致等於F（引力），正如預期的那樣。但是，遠離星系的中心，方程的兩側並不能很好匹配。雖然星系對星系的細節各不相同，但他們的觀測發現這些差異基本上普遍存在，如此巨大的差異需要解釋。

圖注：物理學家薇拉·魯賓

在星系中心附近，魯賓和福特的測量意味著這個理論在起作用，而在更大的軌道距離上，較大的差異意味著一些現有理論無法解釋的事情。他們的見解表明，要麼我們不瞭解慣性是如何工作的（例如，F（圓形），要麼我們不瞭解引力是如何工作的（例如，F（引力）），第三種可能性是方程等號是錯誤，這意味著方程不包含一些其他力或效果，這是唯一的可能性。

解釋差異

在魯賓和福特最初研究以來的40年裡，科學家們已經測試了許多理論，試圖解釋他們發現的星系自轉差異。物理學家莫德採·米爾格若姆提出了一種改進慣性的方法，稱為"修正牛頓動力學（MOND）"。在其初始形式中，它假設在非常低的加速度下，牛頓方程F = ma不起作用。

圖注：物理學家牛頓

其他物理學家建議修改引力定律。愛因斯坦的廣義相對論在這裡沒有幫助，因為在這個領域，愛因斯坦和牛頓的預測基本上是相同的。量子引力理論試圖用亞原子粒子來描述引力，同樣，也不能解釋該現象。

還有預測說，新的力量存在。這些想法以"第五力"的名義聚集在一起，暗示著一種超越引力、電磁力和強弱核力的力量。

最後，暗物質的理論：一種根本不與光相互作用，卻能產生引力的物質，滲透到宇宙中。如果星系自轉測量是我們擁有的唯一資料，可能很難在這些不同的理論之間進行選擇。畢竟，也許可以改進每個理論來解決星系自轉問題。但是現在有許多不同現象的觀察，可以幫助確定最合理的理論。

圖注：哈勃太空望遠鏡對星系（黃金）及其運動的觀測使科學家能夠計算出暗物質（藍色）的位置

一個是大星系群中星系的速度。星系移動得太快，星系團無法保持聚集在一起。另一個觀測到的是來自非常遙遠星系的光，對這些非常遙遠的古代星系的觀測表明，它們的光透過附近星系團的引力場被扭曲。也有研究宇宙微波背景的小不均勻，宇宙微波背景是宇宙的誕生餘輝。所有這些測量（以及更多）也必須藉助新的理論來解釋星系的自轉速度。

暗物質未能解答的問題

暗物質理論在預測許多這樣的測量方法方面做了合理的工作，這就是為什麼它在科學界受到尊重的原因。但暗物質仍然是一個未經證實的模型。迄今為止，它存在的所有證據都是間接的。如果暗物質存在，我們應該能夠直接觀察暗物質在穿過地球時相互作用，我們也許能夠在大型粒子加速器中製造暗物質，比如大型強子對撞機。然而，這兩種方法都沒有成功。

圖注：大型強子對撞機

雖然暗物質是迄今為止最成功的模型，但它並不完全成功。暗物質模型預測，圍繞銀河系等大星系的矮衛星星系比實際探測到的要多。儘管發現了更多的矮星系，但與暗物質的預測相比，仍然太少。

另一個重大而懸而未決的問題是暗物質如何影響星系的亮度和它們的旋轉速度之間的關係。這種關係，第一次提出於1977年，被稱為塔利-費舍爾關係，它已多次表明，星系的可見質量與其旋轉速度密切相關。

暗物質的嚴峻挑戰

塔利-費舍爾關係對暗物質模型來說是一個嚴峻的挑戰。星系的自轉由它包含的物質總量控制。如果暗物質真的存在，那麼物質的總量就是普通物質和暗物質的總和。

但現有的暗物質理論預測，任何隨機星系都可能包含更大或更小的暗物質部分。因此，當一個測量可見質量時，你可能總質量會錯過一大塊。因此，可見質量應該是星系總質量（從而旋轉速度）的極差預測變數。星系的質量可能類似於可見（普通）質量的質量，也可能大得多。

因此，沒有理由期望可見質量應該是星系旋轉速度的良好預測器。事實上，在2017年發表的一篇論文中，暗物質懷疑論者使用對塔利-費舍爾關係的測量，來反駁暗物質假說和改進版的慣性理論。

更適合暗物質

然而，在2017年6月份發表的一篇論文中，科學家們給暗物質模型帶來了巨大的推動作用。新的工作不僅再現了早期對暗物質模型預測的成功，還再現了塔利-費舍爾關係。

圖注：研究人員希望XENON實驗能直接探測到暗物質粒子。

新論文是一個"半分析"模型，這意味著它是分析方程和模擬的組合。它模擬了早期宇宙中暗物質的聚集，這些暗物質可能播種了星系的形成，但也包括普通物質的相互作用，包括普通物質由於引力而落入另一個天體。透過仔細調整引數，研究人員能夠更好地匹配預測的塔利-費舍爾關係。計算的關鍵是，預測的旋轉速度包括星系中子與暗物質比率的現實值。

新的計算是驗證暗物質模型的重要附加步驟。 任何成功的理論都應該與所有測量方法一致。未能達成一致意味著理論或資料是錯誤的，或者至少是不完整的。 預測和測量之間仍然存在一些差異（例如大型衛星星系周圍的小衛星星系的數量），但新論文讓我們相信，未來的工作將解決這些剩餘的差異。

暗物質仍然是宇宙結構的有力預測理論。它不完整，需要透過發現實際的暗物質粒子進行驗證。因此，仍有工作要做。但是，最近的計算正朝著這一天邁出的重要一步，如果宇宙真的被黑暗面所支配，我們總會等到真正發現的那一天。