天文|宇宙如何凝聚在一起，暗物质图谱揭示背后奥秘
【天文|宇宙如何凝聚在一起，暗物质图谱揭示背后奥秘】我们早已知到宇宙中不止只有恒星
事实上 ， 在地球自转时 ， 没有没有任何物体因为离心力而被甩出 ， 就佐证了有某种力量可能对物质产生约束 。 当深入研究这个现象时 ， 我们发现了暗物质 。
什么是暗物质 ， 它又存在何处？
暗物质是人类已知但不可见的存在 。 我们可以通过一个破碎或不规则的玻璃证明暗物质的存在 ， 其背后的原理是‘重力透镜’ ， 即光束穿透玻璃表面时发生弯曲的现象 ， 根据光线偏移的程度 ， 我们还可以计算出该碎玻璃的厚度 。
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上图为重力透镜效果模拟 。 图片来源：NASA/STSCI
暗能量调查项目（DES）利用重力透镜原理寻找暗物质时 ， 观测到令人震惊的现象：暗物质似乎起着将宇宙凝聚在一起作用 ， 类似于建筑上的脚手架的功能 。 这个‘脚手架’自宇宙大爆炸初始就已存在 ， 其触角延绵至上千星系 ， 并将它们紧束在一起 。 使用智利的布兰科望远镜 ， 科学家观测到在恒星分布密集的地方存在黑色网状结构的暗物质 。
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现在我们知道了暗物质在何处 ， 那么 ， 它究竟是什么呢？为了了解暗物质的本质 ， 科学家决定使用位于欧洲核子研究中心(CERN)大型强子对撞机（LHC）进行粒子加速器实验 ， 即用巨大能量使粒子之间发生碰撞 ， 然后观测该碰撞产生的效果 。 该实验使用原理与人类历史上最大规模的实验 – 1908年卢瑟福勋爵发现原子的实验 – 原理相同 。 那么 ， 为什么我们无法捕获或触碰到暗物质呢？
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上图为大型强子对撞机（LHC） 。 图片来源：CERN
暗物质与星系
星系由三种基本成分组成：暗物质 ， 恒星与气体云 。 当星系间相撞时 ， 气体云会碰撞到一起 ， 最后由于重力作用而合并 ， 然而恒星则永远是毫发无损 ， 在这个过程中隔开两个恒星的正是暗物质这个中介物 。 暗物质的这个运动轨迹揭示了其属性 。
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上图为天线银河 ， 由两个星系碰撞产生 。图片来源： ESA/HubbleNASA
在对子弹星系团碰撞的研究中 ， 天文学家发现暗物质极少于其周边物质发生反应 ， 事实上 ， 它会尾随恒星的运动速度 ， 从而阻隔恒星间碰撞 。 科学家用选取了一个视点或者说定格帧 ， 将这个已存在1亿年的物质用动态3D 成像勾勒出来 。 其间 ， 我们观测到星团中发生72次碰撞 ， 得益于这些基数较大且及时的观测 ， 我们确认了暗物质鲜与其他物质发生反应 。
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第73次碰撞报告是对单独星系而非星团的观察 。 观察发现 ， 在碰撞时星系间会有充分接触 ， 巨大的重力会让他们相互间围绕旋转 ， 最后相互穿越 。 在这个过程中 ， 很小的摩擦力都会使暗物质产生可观测到的拉力 ， 并作用于恒星周围 。 因为这次碰撞距离地球较近 ， 且与重力透镜的角度吻合 ， 给我们的观察提供了便利 。 但敏感测试表明 ， 暗物质偏离了恒星 。
因为实验中气体云速度减慢至消散点 ， 无法作为校准暗物质行为的参照物 ， 我们需另外寻找支点 。 但遗憾的是 ， 因为摩擦力产生的偏移 ， 另一个研究碰撞的方法（观察碰撞持续的时间）也不再适用 。
尽管我们无法找到解释暗物质偏离于恒星的原因 ， 杜伦大学的计算机宇宙学研究所（拥有全球最大超级计算机模拟系统）与粒子物理现象学研究所或许可以找到答案 。 如果模拟百万次星团碰撞 ， 我们或许可以复制所观察到该偏移的路线 。
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另一个萦绕在我们脑中的假想是 ， 或许暗物质可以与非重力的其他外力相互作用？如果两个暗物质粒子发生相互作用 ， 他们会需要另一种粒子作为作用力载体 ， 这是否是突破暗物质研究的关键呢？
这80年来 ， 科学家一直好奇平行宇宙是否存在 ， 是否有一个黑暗而神秘的另一个世界 。 通过对暗物质的研究 ， 谁都不敢断言等着我们发掘的未知领域会有什么 。 相关科学实验将在不远的未来为我们揭晓答案 。
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