宇宙大礼包：暗物质风暴就要到来
宇宙大礼包：暗物质风暴就要到来BloodyRex
中科院物理所
今天
风暴将至
最近，科学家们认为一场“暗物质风暴”即将向地球袭来，也有可能风暴已经到来，只是我们还浑然不觉。
要搞清楚事情的来龙去脉，我们还要倒回到2017年。宇航员们发现，在太阳系的区域内有一条拉长的行星流正在驶过。科学家们给这个星流起名叫“S1流”（S1 stream），S1也是我们发现的距离最近的星流。
这些行星群诞生于银河系的“就餐”过程中：当银河系快速地吞噬一个矮星系时，难免会撕扯出一些零星的“碎末”，而这些碎末就是原来星系里的行星。它们向外飞散，形成星流。
https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/0BjfLicVl6LpEcEQiaXq4bLUk8xPF9I3Xb69y0t1YwAmkAiaVhgAHeh49SzdpDbubmG3N3vMXCnDewJuIsRiatzDUA/640飞行方向 Credit: C. O'Hare; NASA/Jon Lomberg,物理 杂志插图
在一篇11月7日发布在 Physical Review D 杂志的论文中，研究者们提到，S1可能携带了原来矮星系里的一些暗物质，而它正在向我们这边靠近。
虽然我们叫它风暴，但它并不会像台风“山竹”一样，把屋顶掀翻，把大树刮倒。暗物质风暴来临的时候，我们只能从专门的仪器上找到它的蛛丝马迹。
如果一切顺利的话，这段时间，暗物质探测仪上的数值将会达到顶峰。而研究者们或将成为本次风暴的最大受益者，他们获得了一次千载难逢的观测暗物质的机会。
认识暗物质
暗物质（dark matter）是一种科学家认为在理论层面存在的物质，至今还没有被直接观测到。
天文学家卡普坦（Jacobus Kapteyn）在1922年首次提出了暗物质的概念，在观察天体运动的时候，他发现天体实际的运动轨迹和理论计算的不一致，于是间接推断出宇宙里可能还存在一些不可见的物质，也就是所谓的暗物质。
https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/0BjfLicVl6LpILzstgTsDt92yaQm8aPCvnYNmqOH1L5KoMfCw9JaM0x6jmaBvIomlYS5WiaOosDtsia2bJfRVbGuw/640熟悉的高中味道 Credit：Wiki
在计算过程中，我们最为有力的武器就是引力，牛顿的万有引力定律告诉我们，一切有质量的物体都存在引力，只要知道了相对距离和物体的质量分布等信息，物体间的引力大小就可以被准确的计算。
然而，在太空中，万有引力定律却好像失算了。运动的星体好像还受到了其他的力，从而偏离了预测的轨道，而暗物质的出现，恰好可以提供这些“额外”的引力，帮助我们解释天体的运行规律。
虽然还没有直接观测到，但是暗物质的存在不断被间接地证明。
https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/0BjfLicVl6LpILzstgTsDt92yaQm8aPCvXfa4rIbLOg4ic37NB5vsibMibYlYMACMz3sUGujblWmLqsaibghFEN6icAA/640根据引力透镜效应，分析局部区域的暗物质分布 Credit：Wiki
我们已经发现，许多星团的总质量远远大于可见物质的总质量，也就是说，我们能观测到的只是屋子里烛光下的一隅，还有未知的许多东西隐藏在黑暗里。聪明的你应该就能想到，这很大一部分“凭空出现”的质量存在于我们观测不到的物体上，暗物质就是承载这部分质量的本体，它的样貌隐藏在虚空中，还不曾被我们发现。
目前，对暗物质的研究多停留在间接的性质层面，物理学家们相信，正是暗物质把矮星系牢牢抓在了一起，不让其中的天体各自飞散开去。也正是这个原因，S1流里很有可能夹带了大量暗物质，裹挟着向我们飞来。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/0BjfLicVl6LpILzstgTsDt92yaQm8aPCvPfzRjDqibjLd8fxLCoEcibyNaYfBPkxjwEnKumeDySUiawwlkSuxRXNDA/640在哈勃空间望远镜的观测基础上，我们重构了宇宙尺度上的暗物质3D分布图 Credit：Wiki
可能的惊喜
这次的风暴不仅没有让科学家们感到恐慌，反而使大家欢呼雀跃。因为我们根据种种理论推测，准备了各种各样的检测装置，这次终于不是纸上谈兵，能真枪实弹地操练一把了。
对于暗物质的组成成分，科学界也没有统一的定论。其中的种子选手是一种叫做WIMP的粒子，也就是弱相互作用有质量粒子。除此之外还有轴子（axion）以及难以观测的重子等等。针对这些可能，我们准备了各式仪器，来对症下药，只求一睹暗物质的真容。
为了做好万全准备，我们继续使用了旁敲侧击的办法，通过了解S1流的本身特点来推测其中暗物质的状态，从而调整探测器的参数，力求发挥它们最大的功效。
当然，这一次科学家也可能就搞砸了，说不定S1中没有出现我们想找的暗物质，又或许我们能有一些全新的发现，谁知道呢？
宇宙的构成
https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/0BjfLicVl6LpEcEQiaXq4bLUk8xPF9I3XbVgEZAXWvcKn8IBN2xXIRQaiccPbc1QSZ6owbgLxjqpzgOUHKiavXKPJQ/640NASA 哈勃空间望远镜得到的图像，显示了 Abell 1689号星系团中心的暗物质分布。星系团里共有约1000个星系，无数的恒心跨过22亿光年的距离，与我们隔空相望。Credit：NASA
1997年哈勃拍摄到了这张照片，我们发现，从星团发出的光线在引力作用下被"掰弯了"，这就是引力透镜效应的理论基础。而要产生这样的引力效果，仅凭我们观测到的天体质量是不可能达到的。
如果万有引力定律还在正常运转，就一定藏着我们看不见的质量，它就是暗物质。
如果我们沿着这个思路，继续推广，整个宇宙里的星系之所以没有随着宇宙膨胀而散开，甚至宇宙本身的膨胀速度之所以没有更快，这可能都是暗物质带来的结果。
https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/0BjfLicVl6LpILzstgTsDt92yaQm8aPCvs9atyhZSABCRxWEkdm9Y0egk1kGXRSIfKQI3ODdAk4OM5K6TbQyWhQ/640科学家们推测的宇宙成分 Credit：Wiki
科学家预测，整个宇宙中，我们目前能观测的物质质量(正常物质) 只占了宇宙总质量的4.6%，剩余95.4%的质量可能都是看不见的暗物质/暗能量。
这样说来，那些我们看不见的，暗物质构成的虚空，才是这个世界的真身。
参考资料：https://www.livescience.com/64094-dark-matter-hurricane.html
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