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暗物质和暗能量是什么 ???
到目前为止，物理学家和天文学家根据观测事实和理论推测，构建出各种各样的宇宙模型，其中最成功的是大爆炸宇宙模型，宇宙在加速膨胀也是公认的事实。
而暗物质是基于现有引力理论的一种假想物质，暗能量是基于现有宇宙模型的一种假想能量。
暗物质和暗能量的存在能够解释一系列令人困扰的天文观测现象，也能在现有理论模型下能够很好地解释宇宙的演化和存在，可是还没有实验能够直接探测到暗物质和暗能量并为它们的存在进行决定性地描述。
但是，很多新的观测现象都指向同一个事实：暗物质和暗能量是真实存在的。
一直以来，物理学对于物质本质的描述，朝着两个极限不断前进。
一个是微观极限，现在已经深入到原子核内部；另外一个是宏观极限，现在已经扩展到整个宇宙。
从微观上讲，标准模型能够解释到目前为止发现的大部分粒子，标准模型也是基于地球上的物质、对撞机产生的粒子以及宇宙射线而构建的；但是当人类将探索的触角伸向浩瀚无垠的宇宙的时候，发现了一些令人费解的现象。
20世纪30年代到70年代间，不少科学家在观测不同星系时发现引力质量比星系的光度质量大的多。
自此，科学家指出宇宙间存在大量看不见的物质——如果只有可见物质参与引力相互作用，那么从星系中心到旋臂，随着半径的增大，旋转的速度会越来越低。
根据天体物理的理论，这样会导致星系的不稳定。
我们通过中学物理学过的引力圆周运动公式，也可以简单地得到这一结论。
但实际观测表明，稳定星系旋臂的转动速度随着半径增大，呈现出一个恒定速度，这样才会使星系保持稳定。
而这个现象也说明，星系的大部分质量并不是集中在星系中心，而是有许多看不见的“暗物质”分布在整个星系，可见物质只是星系质量的一小部分。
我们知道，物理学发展至今，虽然理论物理已经可以完全独立发展，但理论正确与否，最终要经过可靠实验的检验，理论和实验相辅相成。
暗物质的提出，虽然只是来源于科学家们的头脑风暴和数学计算，但是对于人类认识宇宙有着重要意义。
至于理论最终会得到证实还是被推翻，还是要靠具体的实验探测来说话。
宇宙中的暗物质真存在吗？
许多科学人士认为宇宙不仅是由卡尔·萨根所说的“数十亿亿”的星系，而是大量的隐形物质，被称为暗物质。
这种奇怪的物质被认为是一种新的亚原子粒子，它不通过电磁相互作用，也没有强核力和弱核力。
暗物质在宇宙中的分布也比普通原子的五倍还要多。
图片版权：Valerio Pardi/Shutterstock
然而现在情况是暗物质的存在还没有得到直接的证实。
暗物质仍然是一个假设，尽管它很受支持。
任何科学理论都必须作出预测，如果它是正确的，那么你所做的测量应该与预测一致。
暗物质也是如此。
例如：暗物质理论预言了星系旋转的速度。
但是到目前为止，在低质量星系中心的详细暗物质分布的测量与这些预言并不一致有些许差异。
最近的计算改变了这一点，计算有助于解决塔利-费舍尔关系的难题，其中比较明显的还是普通星系的旋转速度的关系。
在非常简单的术语中，科学家发现螺旋星系的质量越大（因此更明亮），自旋的速度就越快。
但是如果暗物质存在，星系的“大小”应该不仅由它的可见物质（普通物质）决定，还取决于它所包含的暗物质。
应有一方程式来描述暗物质数量的缺失，塔利-费舍尔关系也不应该存在。
然而到现在它确实如此，很难想像将这种关系与现有的暗物质理论相协调。
暗物质的起源
第一个迹象，有可能是一个类似暗物质需要回到1932年。
荷兰天文学家Jan Oort测量银河系中星星的轨道速度时发现它们移动太快，不能被观察到的星系的质量所解释。
维拉鲁宾和肯特福特发现星系边缘的恒星，如仙女座星系（如下图所示），旅行速度超过预期。
暗物质可以帮助解释这些星系旋转差异。
图片版权：NASA/Swift/Stefan Immler (GSFC) and Erin Grand (UMCP)
然而寻找暗物质正式开始近半个世纪之后，在1970年代天文学家 维拉·鲁宾 和仪器制造商的肯特福特测量邻近星系的旋转速度的函数星系的恒星的距离中心。 他们比较标准的测量与预测牛顿引力理论
他们的母星系恒星的轨道近圆形，路径和重力是那些轨道束缚天体的力量。
牛顿方程的预测，让天体在一个圆形路径移动力，F（圆形）应等于力在星的重力，F（重力），不然天体会飞到太空中或落在银河系的中心。
靠近星系中心，鲁宾和福特发现，F（圆形）大致等于F（重力），如预期的那样。
但远离星系的中心，方程式的两边并不相等。
虽然星系和星系的细节各不相同，但他们的观察基本上是普遍的。
如此戏剧性的差异需要解释，在星系中心附近，鲁宾和福特的测量意味着理论是有效的，而在较大的轨道距离上的差异意味着某种东西正在发挥着某种作用，现有的理论无法解释。
他们的研究表明，要么我们不理解惯性是如何工作的（例如F（圆形）），要么我们不理解重力是如何工作的（例如F（重力））。
第三种可能性是等号是错误的，这意味着方程还没有包含其他的力或效应，这也是唯一的可能。
图片版权：Virgo Consortium/Alexandre Amblard/ESA
图注：当宇宙大约30亿年时，暗物质的分布从星系形成的数值模拟中获得。
左面板显示暗物质颗粒的连续分布，而右侧面板突出了用于形成星爆星系的暗物质光环，其最小暗物质光晕质量为太阳的三千亿倍。
解释差异
在鲁宾和福特的研究发表40年之后，科学家已经测试了许多理论来解释他们发现银河系旋转的差异。
物理学家米尔格提出了一个修正的惯性称之为“修改牛顿动力学”。
他假定：在其最初的形式非常低的加速度下，牛顿的方程F＝ma 便失效了。
其他物理学家提出修改重力定律。
爱因斯坦的广义相对论在这里并没有多大用处，因为这个领域，爱因斯坦和牛顿的预言基本上是相同的。
而量子重力理论，试图用亚原子粒子来描述重力，不能解释同样的原因。
然而有引力理论对与牛顿重力不同的银河系或银河系外尺度进行预测。
宇宙的大部分是由我们看不到的物质所构成的。图片版权：agsandrew /
然后有人预测，存在新的自然基本力。
这些想法都聚集在名为“第五力”意味着除了引力、电磁力和强、弱核力还有新的力。
最后还有暗物质理论：一种根本不与光（电磁辐射）相互作用的物质，却在宇宙中”施加“引力或表现出引力的特性。
如果星系旋转测量是我们所拥有的唯一数据，可能难以在这些不同的理论之间进行选择。
毕竟有可能调整每个理论来解释星系旋转问题。
但现在有许多不同现象的观察可以帮助确定最合理的理论。
其一是星系团内星系的速度。
星系移动得太快，星系团无法保持在一起。
另一个观测是来自遥远星系的光。
对这些非常遥远的古代星系的观测表明，它们的光经过了附近星系团的引力场而扭曲了。
也有对宇宙微波背景辐射非均匀性研究。
所有这些测量（还有更多）也必须用或新何新的理论来解释银河系自转速度。
暗物质的未解之谜
暗物理理论在预测这些测量中已经做了很多合理的工作，这就是为什么它在科学界受到重视。
但暗物质仍然是一个未经证实的模型。
迄今存在的所有证据是间接的。
如果暗物质存在，我们应该能够直接观察暗物质通过地球的相互作用，我们可能能够在大粒子加速器（如大型强子对撞机）中产生暗物质。
然而这两种方法都没有成功。
大型强子对撞机的复合图像由3D艺术家创建。
光束管表示为透明管，反向旋转质子束以红色和蓝色表示。
图片版权：Daniel Dominguez / CERN
此外，暗物质应该与所有人预测一致，而不仅仅是许多天文观测。
尽管暗物质是迄今为止最成功的模型，但它并不完全成功。
暗物质模型的预测，像银河系这样的大星系周围的矮卫星星系比实际探测的要多。
尽管发现了更多的矮星系，但与暗物质的预测相比还是太少了。
另一个大的，开放的问题是如何影响星系中的的暗物质及转速的亮度之间的关系。
这种关系是第一次在1977年被发现，叫做塔利-费希尔关系，多次表明星系的可见物质与转速密切相关。
暗物质的艰难挑战
塔利-费希尔（Tully Fisher）关系是暗物质模型的一个艰难的挑战。
一个星系的旋转是由它所包含的总物质的量。
如果暗物质真的存在，那么物质的总量是普通物质和暗物质的总和。
但是现有的暗物质理论预言任何随机星系都可能包含暗物质的较大或更小的部分。
因此当测量可见质量时，可能会丢失总质量的一大块。
可见质量应该是银河系总质量（因而是旋转速度）的一个很差的预测因子。
星系的质量可能与可见（普通）质量相似，或者可能更大。
（普通质量即指普通可见物质的质量）
因此没有理由认为可见的（普通物质）质量应该是一个好的星系的旋转速度的预测。
然而它是。
事实上在今年发表的一篇论文中，暗物质的怀疑论者用来反驳各种星系的暗物质假说和一个修改版的惯性塔利-费希尔（Tully Fisher）关系的测量。
更适合的暗物质理论
然而在六月发布的一篇论文中，科学家们给出了暗物质模型的显著提升。
不仅新作品再现了先前的预测暗物质模型的成功，它也再现了塔利-费希尔（Tully Fisher）关系。
新论文是一个“半分析”模型，这意味着它是分析方程和模拟的组合。
它模拟了早期宇宙中暗物质的聚集，可能已经完成了星系形成，但也包括普通物质的相互作用，包括普通物质由于其引力拉动，星形成和加热而被称为另一个天体通过星光和超新星的气体。
通过仔细调整参数，研究人员能够更好地匹配预测的塔利-费希尔（Tully Fisher）关系。
计算的关键是预测的旋转速度包括了重子与暗物质比例的实际值。
新计算是验证暗物质模型的重要步骤，但是这不是最后的。
任何成功的理论都应该同意所有测量。
不同意意味着理论或数据是错误的，或至少是不完整的。
预测和测量之间的差异仍然存在（例如大卫星周围的小型卫星星系数量），但是这篇新的论文使我们有信心在今后的工作将解决这些剩余的差异
暗物质仍然是宇宙结构的有力预测理论。
目前它虽不完整，它需要通过发现实际的暗物质粒子进行验证。
所以未来仍然很多有工作要做。
（本文所表达并不一定反映学术期刊或出版商或论文的观点）
原作者：Don Lincoln
编译：光量子，审校：博科园
整个宇宙哪些地方存在着暗物质？
来看看宇宙中这些地方的暗物质
No.1：子弹状星系团
在星系团碰撞过程中的热气体被看作是包含大部分正常物质的两个粉红色团块。
右边的子弹状的团块是来自一个星系团的热气体，它通过另一个星系团的热气团。
用望远镜来探测星系团中的大部分物质，这些物质原来是暗物质（蓝色突出显示）。
图片版权：Credit: X-ray: NASA/CXC/CfA/ et al.; Optical: NASA/STScI; Magellan// et al.; Lensing Map: NASA/STScI; ESO WFI; Magellan// et al.
No.2：哈勃揭示暗物质的幽灵环
在星系群ZwCl0024 + 1652中漂浮的暗物质的幽灵环，是迄今为止存在暗物质的最强证据之一。
天文学家认为，暗物质环是由两个巨大的星系群之间的碰撞产生的。
图片版权：ESA/Hubble
No.3：暗物质与灿烂星系间的联系
该图显示了在大爆炸16亿年后，在早期宇宙的模拟中暗物质，大量光环和发光类星体的分布。
灰色丝状结构显示暗物质的分布；小白圈标志着暗物质的集中“光晕”比太阳质量的3万亿倍更大;；更大的蓝色圆圈标志着最大规模的光环，超过7万亿倍的太阳，它是最明亮的类星体。
SDSS样本中类星体的强烈聚类表明它们位于这些罕见的非常大的光环中（图中显示的方形盒子是360万光年）
图片版权：Paul Bode and Yue Shen, Princeton University
No.4：小星系中隐藏的秘密
银河NGC5291（橙色，在中心）和它的碎片环（蓝色），通过超大阵列干涉仪看见。
研究人员已经发现了密集星形成组（红色显示）存在暗物质的证据，其中存在“回收”的矮星系。
图片版权：P-A Duc/CEA-CNRS/NRAO-NASA
No.5：早期宇宙的新模型
大爆炸后5.9亿年的宇宙可能看起来像这样，根据计算机模拟，有一些暗物质（绿色）和星系不同亮度的星系（黄色最亮）的星系。
图片版权：Alvaro Orsi, Institute for Computational Cosmology, Durham University.
No.6：隐形的星系
这个椭圆显示了天空区域中一个由暗物质构成的星系
图片版权：Cardiff University/Isaac Newton Telescope on La Palma
No.7：细丝状分布的暗物质
在这个计算机模型中表示了在整个宇宙中暗物质的分布。
图片版权：NASA / UNC
No.8：暗物质的映射空间
这张由哈勃太空望远镜的拍摄的图显示了4快在超星系团Abell 901/902的暗物质的分布。
图片版权：NASA, ESA, C. Heymans (University of British Columbia), M. Gray (University of Nottingham), M. Barden (Innsbruck), STAGES collaboration.
No.9：银河系的暗物质比重比想象中的多
宇宙中的普通物质和隐形的暗物质在这幅由太空望远镜观测组合的图像中被揭示出来。
普通物质呈红色，其分布主要由欧洲航天局的XMM / Newton望远镜观测。
哈勃太空望远镜记录的蓝色区域区分不可见和难以捉摸的暗物质区域。
灰色区域表示恒星和星系，哈勃望远镜可观察到可见光。
图片版权：NASA, ESA and R. Massey (California Institute of Technology)
No.10：暗物质模拟图
计算机模拟显示暗物质方式分布。
在图中，高密度区域显得明亮，而暗区域几乎是，但不是完全为空的。
图片版权： Institute for the Physics and Mathematics of the Universe
No.11：强大的宇宙碰撞造成物质的分离
美国宇航局的钱德拉X射线天文台和哈勃望远镜捕获了星系团的另一个强大的碰撞。
像其着名的表兄弟所谓的“子弹星团”一样，这种星系团的碰撞显示了暗物质和普通物质之间的明显分离。
这有助于回答一个至关重要的问题，即黑暗物质是否以与重力不同的方式与自身相互作用。
图片版权：X-ray(NASA/CXC/Stanford/); Optical/Lensing(NASA/STScI/UC Santa Barbara/)
No.12：暗物质保护的星系
这四个矮星系是在附近的英仙座星系团混乱中心部分。
美国航空航天局的哈勃望远镜拍摄的图像证明，这些未受干扰的星系被暗物质的“缓冲”所包围，从而保护他们免受分离与其他星系碰撞。
图片版权：NASA, ESA, and C. Conselice and S. Penny (University of Nottingham)
No.13：模拟难以捉摸搜寻的暗物质
研究人员通过将散射在距离地球的一系列距离的一百多万个星系的引力透镜数据相结合，在宇宙的大部分地区创造了一幅暗物质的3D地图。
盒子的三个轴（底部）对应于天空位置，距离地球的距离从左到右增加。
图片版权：NASA，ESA，R. Massey（加州理工学院）
No.14：胖乎乎的星系团表明暗物质在很久前很强了
这张NASA哈勃空间望远镜图像显示了巨大星系团Abell 1689中心的暗物质分布，包含大约1000个星系和数万亿颗恒星。
图片版权： NASA, ESA, D. Coe (NASA Jet Propulsion Laboratory/California Institute of Technology, and Space Telescope Science Institute), N. Benitez (Institute of Astrophysics of Andalusia, Spain), T. Broadhurst (University of the Basque Country, Spain), and H. Ford
No.15：暗物质模拟
当宇宙大约30亿年时，暗物质的分布从星系形成的数值模拟中获得。
左面板显示暗物质颗粒的连续分布，而右侧面板突出了用于形成星爆星系的暗物质光环，其最小暗物质光晕质量为太阳的三千亿倍。
图片版权：Virgo Consortium/Alexandre Amblard/ESA
No.16：通过研究矮星系缩小暗物质的质量
这是NASA的费米伽玛射线太空望远镜的宇宙观测图。
布朗大学的物理学家研究了七个矮星系（以白色圈出）。
他们的观察结果表明，这些星系充满了暗物质，因为它们的恒星运动不能仅靠它们的质量来解释，是寻找暗物质湮灭信号的理想场所。
图片版权：NASA / DOE / Fermi-LAT协作/ Koushiappas和Geringer-Sameth /布朗大学
No.17：宇宙中的暗物质
宇宙中的黑暗物质被认为是分布在巨大密集（光）和空（黑色）区域的网络中
图片版权：Van Waerbeke，Heymans和CFHTLens合作
No.18：普通物质与暗物质在大尺度结构中的比较
哈勃太空望远镜拍摄的这种假彩色图像比较了暗物质物质（红色，左边）与暗物质（右，蓝色）的分布。
暗物质解释了宇宙的大部分问题，但只能通过其引力效应来看。
HST捕获空间扭曲的能力有助于科学家测量暗物质的分布。
天文学家认为黑暗物质可以为第一颗恒星提供动力。
图片版权：NASA，ESA和R. Massey（加州理工学院）
No.19：围绕“暗星”的神秘漩涡
这由艺术家的构想展示了一个看不见的“暗星”在红外光中以热散发的样子。
核心被氢气和氦气云所笼罩。
犹他大学的一项新研究表明，宇宙中的第一颗恒星没有发光，但可能是暗星。
图片版权：犹他大学
（这样的照片还有很多或者说是无数的）这挑选看经典的19张图片以各种情景为我们展示了暗物质的存在情况。
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