暗物質和暗能量是宇宙主要的組成部分，被認為是“籠罩在21世紀物理學上的兩朵烏云”,是基礎物理與宇宙學研究最前沿的方向之一。下面由學術堂為大家整理出一篇題目為“宇宙暗物質的猜想與探測”的天文學論文，供大家參考。
原標題：暗物質的天文學探測
摘要：暗物質和暗能量是宇宙主要的組成部分，被認為是“籠罩在21世紀物理學上的兩朵烏云”,是基礎物理與宇宙學研究最前沿的方向之一。對暗物質突破性的研究進展將極大促進人們對基本自然規律以及宇宙演化的理解。國際上對暗物質的研究極為重視，美國和歐洲都為之進行了詳細周密的規劃，開展了一系列的相關項目規劃。中國也將暗物質的研究納入了中長期規劃，在過去的幾年中國在暗物質探測方面實現了長足進步，在四川錦屏山地下實驗室開展多項暗物質直接探測試驗，暗物質粒子衛星作為中國空間科學先導專項的首發星，也是中國發射的第1顆天文衛星，2015年12月成功發射。通過觀測暗物質粒子湮滅后的粒子產物，有可能在間接探測方向實現對暗物質研究的革命性突破。本文簡介暗物質概念提出的歷史與暗物質探測的天文學觀測手段。
關鍵詞：暗物質；宇宙學；粒子物理；星系；引力透鏡；空間望遠鏡；宇宙微波背景輻射
1怪人茲威基的“狂想”
暗物質這個名字，是一位脾氣極其古怪的加州理工學院天文學家在20世紀30年代創造的，他的名字叫弗里茲·茲威基（FritzZwicky）。他以粗暴的性格和卓越的才華聞名遐邇，經常在討論問題的時候咄咄逼人，甚至變得氣勢洶洶，連最親密的合作者都不愿意單獨跟他待在一起。然而茲威基有著敏銳的洞察力，他極富創造力地提出了宇宙中存在“暗物質”的假設。茲威基嘗試計算了由數千個星系組成的“后發座”星系團中所有能夠被觀察到的物質的總量（基本上就是把看到的星系們加起來）。結果他驚訝地發現這些物質的總質量所能產生的引力強度竟然不足以讓整個星系團聚集在一起。也就是說這些星系都“跑得太快了”,如此之大的逃逸速度應該早就讓這些星系跑出這個集團，這樣的話“后發座”星系團就分崩離析而不復存在！你可以把整個星系團想象為一個旋轉木馬，旋轉木馬轉動得太快，上面坐著的星系們互相之間的吸引力太弱了，早就應該都會飛出去才對！
正是基于這些觀察，茲威基提出了一項在當時看來驚世駭俗的主張，星系團里必定還存在著某種神秘的“黑暗”物質。這些物質不能輕易被直接觀察到，但卻同樣能夠產生引力作用，從而幫助星系聚集在一起而不至于被撕碎。不幸的是，茲威基在當時普遍被同行們認為是怪人一個，被人看不起，在差不多40年的時間里，茲威基的有關暗物質的推論沒有人愿意認真對待。盡管暗物質的話題今天已經為科學家和公眾津津樂道，但在1933年，幾乎沒有人愿意相信宇宙中大部分的物質是人們看不到的，大家似乎還是信奉“眼見為實”.茲威基的想法已經超越了他的時代，他的偉大洞察和理論都被擱置一旁，無人問津。
既然這種物質既不發光，又不吸收光，也不反射光，人們根本不能直接看到它，找不到更好的名字，物理學們于是就將這種神秘物質稱作“暗物質”（圖1）。如果沒有這種神秘物質的存在，宇宙中的星系將分崩離析。迄今為止盡管有數以百計的模型，但沒人知道暗物質的本質究竟是什么。
20世紀初，當物理學家們最初開始了解到原子的結構組成時，他們曾經以為人類即將洞察整個宇宙中一切物質的本質。然而，70多年過去了，人們才確切地知道今天的宇宙中，暗物質質量所占的比重是可見物質（或者說普通物質--物理學家常常稱之為重子物質）的6倍左右，占到宇宙物質成分的24%左右（普通物質占4%），另外72%左右是暗能量--一種充溢宇宙空間的未知能量形式，導致今天的宇宙在加速膨脹。
原本人們很欣喜地認為，整個世界的物理學基礎已經被搞清楚了，人類幾乎可以到慶功的時刻了，然而在進入21世紀前竟然被告知在茫茫宇宙中可以看到的物質，或者說自始至終都在研究的東西，只占了相當可憐的一部分。確實，要承認宇宙中95%以上的物質都看不到而且幾乎一無所知，實在令人有些尷尬。大自然似乎出于某種目的，把宇宙的絕大部分美妙地隱藏了起來。當然人類爆棚的好奇心和自信心在宇宙學的這一世紀謎團前正在大顯身手。迄今為止，地球上已經建起十幾個尋找暗物質的地下實驗室，此前美國、歐洲和日本分別了發射了多個空間探測器尋找暗物質來自宇宙空間的微弱信號。盡管科學家們大海撈針似的撒網，暗物質依然懸念重重。
2什么是暗物質
在現代宇宙學中，一般認為暗物質是一種全新的不同于任何我們熟悉的基本粒子。暗物質之所以被冠以“暗”之名，就是因為天文學家迄今為止沒有發現這種物質發射出的光子，也就是說暗物質粒子幾乎不直接參與電磁相互作用。電磁力是處于電場、磁場或電磁場中的帶電粒子所感受到的作用力。大自然的4種基本相互作用中，電磁力是其中一種，其他3種是強力、弱力、與引力。光子是傳遞電磁力的中間媒介，帶電粒子倚賴光子為媒介傳遞電磁力，而電荷是基本粒子的內秉性質。只有帶電粒子或帶電物質才能夠感受到電磁力，發射出光子被人眼或者探測裝置看到，這也對探測暗物質粒子的方式提出了挑戰。
在日常生活所遇到的物質的內部，分子與分子之間彼此相互作用的分子間作用力，就是電磁力的一種形式。暗物質不直接參與電磁相互作用，對我們熟悉的日常生活的物理化學過程，暗物質可以說完全不會產生任何影響。事實上，天文學家估計每秒鐘都會有成千上萬的暗物質粒子穿過人體，但是在暗物質粒子的“眼中”,人體幾乎是是透明的?，F在主流的暗物質粒子的理論假說認為，暗物質粒子與人體中所含氫、氧、碳、氮等元素的原子核發生碰撞的機率大約只有數十次每天，而且這種暗物質粒子與人體的直接相互作用不會被人體察覺，更不會有任何有害的后果。事實上，有一種尋找暗物質粒子的方法，就是用專門的探測裝置去尋找暗物質粒子與核子可能發生的碰撞事件，從而了解暗物質粒子的相關屬性，我們把這種手段稱之為暗物質粒子的“直接探測”--暗物質粒子雖然看不見，但是這種碰撞就真真切切地發生在這個實驗裝置里。然而，當兩顆暗物質粒子相互撞擊時有可能會發生“湮滅反應”--兩個粒子抱在一起粉身碎骨，釋放出大得多的能量。如果暗物質粒子的質量像現在的主流理論所認為的，是質子的數百倍，那暗物質粒子碰撞時發出的能量將是可見光光子能量的一千億倍。如果這種湮滅反應發生在人體內，它將可能導致對人體有害的突變。當然，發生這種事件的概率是非常低的。
原標題：暗物質的天文學探測
摘要：暗物質和暗能量是宇宙主要的組成部分，被認為是“籠罩在21世紀物理學上的兩朵烏云”,是基礎物理與宇宙學研究最前沿的方向之一。對暗物質突破性的研究進展將極大促進人們對基本自然規律以及宇宙演化的理解。國際上對暗物質的研究極為重視，美國和歐洲都為之進行了詳細周密的規劃，開展了一系列的相關項目規劃。中國也將暗物質的研究納入了中長期規劃，在過去的幾年中國在暗物質探測方面實現了長足進步，在四川錦屏山地下實驗室開展多項暗物質直接探測試驗，暗物質粒子衛星作為中國空間科學先導專項的首發星，也是中國發射的第1顆天文衛星，2015年12月成功發射。通過觀測暗物質粒子湮滅后的粒子產物，有可能在間接探測方向實現對暗物質研究的革命性突破。本文簡介暗物質概念提出的歷史與暗物質探測的天文學觀測手段。
關鍵詞：暗物質；宇宙學；粒子物理；星系；引力透鏡；空間望遠鏡；宇宙微波背景輻射
1怪人茲威基的“狂想”
暗物質這個名字，是一位脾氣極其古怪的加州理工學院天文學家在20世紀30年代創造的，他的名字叫弗里茲·茲威基（FritzZwicky）。他以粗暴的性格和卓越的才華聞名遐邇，經常在討論問題的時候咄咄逼人，甚至變得氣勢洶洶，連最親密的合作者都不愿意單獨跟他待在一起。然而茲威基有著敏銳的洞察力，他極富創造力地提出了宇宙中存在“暗物質”的假設。茲威基嘗試計算了由數千個星系組成的“后發座”星系團中所有能夠被觀察到的物質的總量（基本上就是把看到的星系們加起來）。結果他驚訝地發現這些物質的總質量所能產生的引力強度竟然不足以讓整個星系團聚集在一起。也就是說這些星系都“跑得太快了”,如此之大的逃逸速度應該早就讓這些星系跑出這個集團，這樣的話“后發座”星系團就分崩離析而不復存在！你可以把整個星系團想象為一個旋轉木馬，旋轉木馬轉動得太快，上面坐著的星系們互相之間的吸引力太弱了，早就應該都會飛出去才對！
正是基于這些觀察，茲威基提出了一項在當時看來驚世駭俗的主張，星系團里必定還存在著某種神秘的“黑暗”物質。這些物質不能輕易被直接觀察到，但卻同樣能夠產生引力作用，從而幫助星系聚集在一起而不至于被撕碎。不幸的是，茲威基在當時普遍被同行們認為是怪人一個，被人看不起，在差不多40年的時間里，茲威基的有關暗物質的推論沒有人愿意認真對待。盡管暗物質的話題今天已經為科學家和公眾津津樂道，但在1933年，幾乎沒有人愿意相信宇宙中大部分的物質是人們看不到的，大家似乎還是信奉“眼見為實”.茲威基的想法已經超越了他的時代，他的偉大洞察和理論都被擱置一旁，無人問津。
既然這種物質既不發光，又不吸收光，也不反射光，人們根本不能直接看到它，找不到更好的名字，物理學們于是就將這種神秘物質稱作“暗物質”（圖1）。如果沒有這種神秘物質的存在，宇宙中的星系將分崩離析。迄今為止盡管有數以百計的模型，但沒人知道暗物質的本質究竟是什么。
20世紀初，當物理學家們最初開始了解到原子的結構組成時，他們曾經以為人類即將洞察整個宇宙中一切物質的本質。然而，70多年過去了，人們才確切地知道今天的宇宙中，暗物質質量所占的比重是可見物質（或者說普通物質--物理學家常常稱之為重子物質）的6倍左右，占到宇宙物質成分的24%左右（普通物質占4%），另外72%左右是暗能量--一種充溢宇宙空間的未知能量形式，導致今天的宇宙在加速膨脹。
原本人們很欣喜地認為，整個世界的物理學基礎已經被搞清楚了，人類幾乎可以到慶功的時刻了，然而在進入21世紀前竟然被告知在茫茫宇宙中可以看到的物質，或者說自始至終都在研究的東西，只占了相當可憐的一部分。確實，要承認宇宙中95%以上的物質都看不到而且幾乎一無所知，實在令人有些尷尬。大自然似乎出于某種目的，把宇宙的絕大部分美妙地隱藏了起來。當然人類爆棚的好奇心和自信心在宇宙學的這一世紀謎團前正在大顯身手。迄今為止，地球上已經建起十幾個尋找暗物質的地下實驗室，此前美國、歐洲和日本分別了發射了多個空間探測器尋找暗物質來自宇宙空間的微弱信號。盡管科學家們大海撈針似的撒網，暗物質依然懸念重重。
2什么是暗物質
在現代宇宙學中，一般認為暗物質是一種全新的不同于任何我們熟悉的基本粒子。暗物質之所以被冠以“暗”之名，就是因為天文學家迄今為止沒有發現這種物質發射出的光子，也就是說暗物質粒子幾乎不直接參與電磁相互作用。電磁力是處于電場、磁場或電磁場中的帶電粒子所感受到的作用力。大自然的4種基本相互作用中，電磁力是其中一種，其他3種是強力、弱力、與引力。光子是傳遞電磁力的中間媒介，帶電粒子倚賴光子為媒介傳遞電磁力，而電荷是基本粒子的內秉性質。只有帶電粒子或帶電物質才能夠感受到電磁力，發射出光子被人眼或者探測裝置看到，這也對探測暗物質粒子的方式提出了挑戰。
在日常生活所遇到的物質的內部，分子與分子之間彼此相互作用的分子間作用力，就是電磁力的一種形式。暗物質不直接參與電磁相互作用，對我們熟悉的日常生活的物理化學過程，暗物質可以說完全不會產生任何影響。事實上，天文學家估計每秒鐘都會有成千上萬的暗物質粒子穿過人體，但是在暗物質粒子的“眼中”,人體幾乎是是透明的?，F在主流的暗物質粒子的理論假說認為，暗物質粒子與人體中所含氫、氧、碳、氮等元素的原子核發生碰撞的機率大約只有數十次每天，而且這種暗物質粒子與人體的直接相互作用不會被人體察覺，更不會有任何有害的后果。事實上，有一種尋找暗物質粒子的方法，就是用專門的探測裝置去尋找暗物質粒子與核子可能發生的碰撞事件，從而了解暗物質粒子的相關屬性，我們把這種手段稱之為暗物質粒子的“直接探測”--暗物質粒子雖然看不見，但是這種碰撞就真真切切地發生在這個實驗裝置里。然而，當兩顆暗物質粒子相互撞擊時有可能會發生“湮滅反應”--兩個粒子抱在一起粉身碎骨，釋放出大得多的能量。如果暗物質粒子的質量像現在的主流理論所認為的，是質子的數百倍，那暗物質粒子碰撞時發出的能量將是可見光光子能量的一千億倍。如果這種湮滅反應發生在人體內，它將可能導致對人體有害的突變。當然，發生這種事件的概率是非常低的。
