暗物质和暗能量是宇宙主要的组成部分，被认为是“笼罩在21世纪物理学上的两朵乌云”,是基础物理与宇宙学研究最前沿的方向之一。下面由学术堂为大家整理出一篇题目为“宇宙暗物质的猜想与探测”的天文学论文，供大家参考。
原标题：暗物质的天文学探测
摘要：暗物质和暗能量是宇宙主要的组成部分，被认为是“笼罩在21世纪物理学上的两朵乌云”,是基础物理与宇宙学研究最前沿的方向之一。对暗物质突破性的研究进展将极大促进人们对基本自然规律以及宇宙演化的理解。国际上对暗物质的研究极为重视，美国和欧洲都为之进行了详细周密的规划，开展了一系列的相关项目规划。中国也将暗物质的研究纳入了中长期规划，在过去的几年中国在暗物质探测方面实现了长足进步，在四川锦屏山地下实验室开展多项暗物质直接探测试验，暗物质粒子卫星作为中国空间科学先导专项的首发星，也是中国发射的第1颗天文卫星，2015年12月成功发射。通过观测暗物质粒子湮灭后的粒子产物，有可能在间接探测方向实现对暗物质研究的革命性突破。本文简介暗物质概念提出的历史与暗物质探测的天文学观测手段。
关键词：暗物质；宇宙学；粒子物理；星系；引力透镜；空间望远镜；宇宙微波背景辐射
1怪人兹威基的“狂想”
暗物质这个名字，是一位脾气极其古怪的加州理工学院天文学家在20世纪30年代创造的，他的名字叫弗里兹·兹威基（FritzZwicky）。他以粗暴的性格和卓越的才华闻名遐迩，经常在讨论问题的时候咄咄逼人，甚至变得气势汹汹，连最亲密的合作者都不愿意单独跟他待在一起。然而兹威基有着敏锐的洞察力，他极富创造力地提出了宇宙中存在“暗物质”的假设。兹威基尝试计算了由数千个星系组成的“后发座”星系团中所有能够被观察到的物质的总量（基本上就是把看到的星系们加起来）。结果他惊讶地发现这些物质的总质量所能产生的引力强度竟然不足以让整个星系团聚集在一起。也就是说这些星系都“跑得太快了”,如此之大的逃逸速度应该早就让这些星系跑出这个集团，这样的话“后发座”星系团就分崩离析而不复存在！你可以把整个星系团想象为一个旋转木马，旋转木马转动得太快，上面坐着的星系们互相之间的吸引力太弱了，早就应该都会飞出去才对！
正是基于这些观察，兹威基提出了一项在当时看来惊世骇俗的主张，星系团里必定还存在着某种神秘的“黑暗”物质。这些物质不能轻易被直接观察到，但却同样能够产生引力作用，从而帮助星系聚集在一起而不至于被撕碎。不幸的是，兹威基在当时普遍被同行们认为是怪人一个，被人看不起，在差不多40年的时间里，兹威基的有关暗物质的推论没有人愿意认真对待。尽管暗物质的话题今天已经为科学家和公众津津乐道，但在1933年，几乎没有人愿意相信宇宙中大部分的物质是人们看不到的，大家似乎还是信奉“眼见为实”.兹威基的想法已经超越了他的时代，他的伟大洞察和理论都被搁置一旁，无人问津。
既然这种物质既不发光，又不吸收光，也不反射光，人们根本不能直接看到它，找不到更好的名字，物理学们于是就将这种神秘物质称作“暗物质”（图1）。如果没有这种神秘物质的存在，宇宙中的星系将分崩离析。迄今为止尽管有数以百计的模型，但没人知道暗物质的本质究竟是什么。
20世纪初，当物理学家们最初开始了解到原子的结构组成时，他们曾经以为人类即将洞察整个宇宙中一切物质的本质。然而，70多年过去了，人们才确切地知道今天的宇宙中，暗物质质量所占的比重是可见物质（或者说普通物质--物理学家常常称之为重子物质）的6倍左右，占到宇宙物质成分的24%左右（普通物质占4%），另外72%左右是暗能量--一种充溢宇宙空间的未知能量形式，导致今天的宇宙在加速膨胀。
原本人们很欣喜地认为，整个世界的物理学基础已经被搞清楚了，人类几乎可以到庆功的时刻了，然而在进入21世纪前竟然被告知在茫茫宇宙中可以看到的物质，或者说自始至终都在研究的东西，只占了相当可怜的一部分。确实，要承认宇宙中95%以上的物质都看不到而且几乎一无所知，实在令人有些尴尬。大自然似乎出于某种目的，把宇宙的绝大部分美妙地隐藏了起来。当然人类爆棚的好奇心和自信心在宇宙学的这一世纪谜团前正在大显身手。迄今为止，地球上已经建起十几个寻找暗物质的地下实验室，此前美国、欧洲和日本分别了发射了多个空间探测器寻找暗物质来自宇宙空间的微弱信号。尽管科学家们大海捞针似的撒网，暗物质依然悬念重重。
2什么是暗物质
在现代宇宙学中，一般认为暗物质是一种全新的不同于任何我们熟悉的基本粒子。暗物质之所以被冠以“暗”之名，就是因为天文学家迄今为止没有发现这种物质发射出的光子，也就是说暗物质粒子几乎不直接参与电磁相互作用。电磁力是处于电场、磁场或电磁场中的带电粒子所感受到的作用力。大自然的4种基本相互作用中，电磁力是其中一种，其他3种是强力、弱力、与引力。光子是传递电磁力的中间媒介，带电粒子倚赖光子为媒介传递电磁力，而电荷是基本粒子的内秉性质。只有带电粒子或带电物质才能够感受到电磁力，发射出光子被人眼或者探测装置看到，这也对探测暗物质粒子的方式提出了挑战。
在日常生活所遇到的物质的内部，分子与分子之间彼此相互作用的分子间作用力，就是电磁力的一种形式。暗物质不直接参与电磁相互作用，对我们熟悉的日常生活的物理化学过程，暗物质可以说完全不会产生任何影响。事实上，天文学家估计每秒钟都会有成千上万的暗物质粒子穿过人体，但是在暗物质粒子的“眼中”,人体几乎是是透明的。现在主流的暗物质粒子的理论假说认为，暗物质粒子与人体中所含氢、氧、碳、氮等元素的原子核发生碰撞的机率大约只有数十次每天，而且这种暗物质粒子与人体的直接相互作用不会被人体察觉，更不会有任何有害的后果。事实上，有一种寻找暗物质粒子的方法，就是用专门的探测装置去寻找暗物质粒子与核子可能发生的碰撞事件，从而了解暗物质粒子的相关属性，我们把这种手段称之为暗物质粒子的“直接探测”--暗物质粒子虽然看不见，但是这种碰撞就真真切切地发生在这个实验装置里。然而，当两颗暗物质粒子相互撞击时有可能会发生“湮灭反应”--两个粒子抱在一起粉身碎骨，释放出大得多的能量。如果暗物质粒子的质量像现在的主流理论所认为的，是质子的数百倍，那暗物质粒子碰撞时发出的能量将是可见光光子能量的一千亿倍。如果这种湮灭反应发生在人体内，它将可能导致对人体有害的突变。当然，发生这种事件的概率是非常低的。
