暗物质

暗物质是一种不可见的物质形式，它不发光，但通过引力展现自身，构成了宇宙中的大部分物质，并塑造了星系和宇宙结构。

Definition

暗物质是一种不发光、非重子物质形式，主要通过引力相互作用，通过其对可见物质和光的引力效应推断其存在，并且是解释星系和星系团动力学以及宇宙结构形成所必需的。

Scope

本领域涵盖了来自星系旋转曲线、星系团、引力透镜和宇宙微波背景的暗物质引力证据，其身份的主要粒子候选者和理论模型，以及通过直接、间接探测或在对撞机中产生来探测它的实验努力。

Sub-topics

• 暗物质候选体与粒子模型
• 暗物质探测与搜寻
• 暗物质证据与星系动力学

Core questions

• 暗物质存在的证据是什么？
• 暗物质可能由什么组成？
• 如何探测暗物质？

Key concepts

• 冷暗物质
• 旋转曲线
• 引力透镜
• 星系团
• 遗迹丰度
• 弱相互作用大质量粒子
• 非重子物质

Key theories

冷暗物质

宇宙中的大多数物质是非重子物质，并且移动缓慢，即“冷”，这使得它能够通过引力聚集，并像标准Lambda-CDM模型中那样，播种星系和大尺度结构的形成。

动力学质量差异

恒星和星系的轨道速度意味着引力质量远超可见物质所能解释的范围，这是暗物质最初且仍然核心的证据。

Clinical relevance

暗物质对于标准宇宙学模型至关重要：它约占宇宙能量预算的四分之一，为星系和星系团的形成提供了引力支架，并且是同时拟合宇宙微波背景、星系旋转曲线和大尺度结构所必需的。

History

兹威基在1933年推断星系团中存在缺失质量，鲁宾和福特在1970年代发现的平坦星系旋转曲线使这一论断更具说服力；后来来自引力透镜、子弹星系团和宇宙微波背景的证据确立了暗物质作为宇宙学基石的地位，尽管其粒子身份仍然未知。

Debates

粒子暗物质与修正引力

尽管大多数证据支持一种新形式的物质，但一些人提出引力修正可以在星系尺度上模拟暗物质；冷暗物质在宇宙学尺度上的成功以及子弹星系团等观测结果强烈支持粒子解释，但争论仍在继续。

Key figures

• Fritz Zwicky
• Vera Rubin
• Jeremiah Ostriker
• James Peebles

Seminal works

• zwicky1933
• rubin1970

Frequently asked questions

如果我们看不见暗物质，我们怎么知道它存在？

它的引力是可探测的：它使光线弯曲，将快速移动的星系束缚在星系团中，使星系旋转曲线变平，并塑造宇宙微波背景，所有这些都一致指向比可见物质所能提供的多得多的质量。

暗物质会不会只是难以看见的普通物质？

确实存在微弱的普通物质，但它无法解释总质量：大爆炸核合成和宇宙微波背景将重子限制在能量预算的百分之几，因此大多数暗物质必须是非重子物质。