最后更新：2025年9月5日

什么是暗物质？塑造宇宙的无形力量

暗物质：子弹星系团 — *钱德拉数据（重子气体以粉色显示）与引力透镜映射（暗物质以蓝色显示）叠加的子弹星系团图像。图片来源：钱德拉X射线天文台*

宇宙之谜

暗物质是现代物理学中最大的谜团之一。它不可见，既不发光也不释放可探测的辐射，但其引力影响在整个宇宙中都是可测量的。根据当前的宇宙学模型，宇宙能量含量中约有27%由这种未知物质构成，而普通重子物质仅占5%。

发现的历史

暗物质的存在最早由弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky，1898-1974）于1933年提出，当时他正在研究后发座星系团中星系的速度。他发现可见物质的质量不足以通过引力束缚该星系团。后来在20世纪70年代，维拉·鲁宾（Vera Rubin，1928-2016）测量了旋涡星系的旋转曲线。与开普勒定律预测的速度随半径减小相反，鲁宾观察到速度趋于稳定，这表明存在占主导地位的不可见质量。

子弹星系的壮观证据（见图）

背景与发现

子弹星系团（1E 0657–56）位于约37亿光年之外，被认为是暗物质存在的直接证据。该星系团由两个星系团碰撞形成（见图示），其分析结合了X射线数据（红色）和引力透镜效应（蓝色）。

X射线观测

钱德拉卫星的观测显示，存在温度超过1亿开尔文的极高温气体，这类气体在X射线波段辐射强烈。这种构成星系团可见重子物质主要成分的气体（图中红色部分），在碰撞过程中受到压力作用的显著减速，因此聚集在两个星系团之间的中心区域。

引力透镜映射

总质量分布是通过背景星系上的引力透镜效应测量的。令人惊讶的是，引力质量与重子气体存在偏移，并集中在气体区域（蓝色部分）两侧的星系周围。

物理解释

重子物质（热气体，图像中呈红色）与主导引力质量（暗物质，蓝色）之间的这种清晰分离，被认为是不可辩驳的证据，表明观测到的引力无法仅由可见物质解释。这也与MOND等修正引力模型相矛盾，后者预测质量分布应遵循重子物质的分布。

因此，子弹星系团成为支持标准宇宙学模型（即ΛCDM模型）的关键证据，该模型认为宇宙中约27%的能量成分由暗物质构成。

假设	物理本质	典型质量	作用域	优势	局限性
弱相互作用大质量粒子	弱相互作用大质量粒子	10 GeV – 10 TeV	宇宙学与星系动力学	由标准模型扩展（SUSY）预测，其丰度与大爆炸热力学计算结果一致	尽管经过数十年的直接和间接实验，仍未检测到。
轴子	超轻粒子	10⁻⁶至10⁻²电子伏特	宇宙学、恒星天体物理学	可解决强CP问题：引入佩切伊-奎因对称性后自发破缺，使QCD的θ参数归零；该场的量子激发即为轴子。	依赖光子-轴子转换实验（ADMX、CAST），不确定的宇宙学丰度参数
MACHOs	大质量致密晕天体（褐矮星、原初黑洞）	0.1 – 10 M☉	星系晕	简单的天体物理学解释，可通过引力微透镜效应观测到。	人口规模太小，无法解释全部暗物质，探测在统计上存在局限性。
惰性中微子	假设的非相互作用中微子	keV – MeV	宇宙学，结构形成	可以解释温暗物质，影响小尺度结构的形成	受X射线辐射和宇宙学数据约束，仍属推测性模型
蒙德	低加速度下牛顿定律的修正	无粒子	星系动力学	精确解释星系旋转曲线，无需暗物质	与宇宙学（CMB、星系团形成）不相容，无物理探测
额外奇异粒子	例如，引力微子，来自超对称理论的超粒子	10 GeV – 1 TeV	早期宇宙，星系晕	可长期稳定并解释观测到的丰度	极难检测，高度依赖模型