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暗物质是谁发现的？
大约65年前，第一次发现了暗物质存在的证据。
当时，弗里兹·扎维奇发现，大型星系团中的星系具有极高的运动速度，除非星系团的质量是根据其中恒星数量计算所得到的值的100倍以上，否则星系团根本无法束缚住这些星系。
之后几十年的观测分析证实了这一点。
尽管对暗物质的性质仍然一无所知，但是到了80年代，占宇宙能量密度大约20%的暗物质以被广为接受了。
在引入宇宙膨胀理论之后，许多宇宙学家相信我们的宇宙是一个平行空间，而且宇宙总能量密度必定是等于临界值的（这一临界值用于区分宇宙是封闭的还是开放的）。
与此同时，宇宙学家们也倾向于一个简单的宇宙，其中能量密度都以物质的形式出现，包括4%的普通物质和96%的暗物质。
但事实上，观测从来就没有与此相符合过。
虽然在总物质密度的估计上存在着比较大的误差，但是这一误差还没有大到使物质的总量达到临界值，而且这一观测和理论模型之间的不一致也随着时间变得越来越尖锐。
不过，我们忽略了极为重要的一点，那就是正是暗物质促成了宇宙结构的形成，如果没有暗物质就不会形成星系、恒星和行星，也就更谈不上今天的人类了。
宇宙尽管在极大的尺度上表现出均匀和各向同性，但是在小一些的尺度上则存在着恒星、星系、星系团以及星系长城。
而在大尺度上能够促使物质运动的力就只有引力了。
但是均匀分布的物质不会产生引力，因此今天所有的宇宙结构必然源自于宇宙极早期物质分布的微小涨落，而这些涨落会在宇宙微波背景（CMB）中留下痕迹。
然而普通物质不可能通过其自身的涨落形成实质上的结构而又不在宇宙微波背景辐射中留下痕迹，因为那时普通物质还没有从辐射中脱耦出来。
另一方面，不与辐射耦合的暗物质，其微小的涨落在普通物质脱耦之前就放大了许多倍。
在普通物质脱耦之后，已经成团的暗物质就开始吸引普通物质，进而形成了我们现在观测到的结构。
因此这需要一个初始的涨落，但是它的振幅非常非常的小。
这里需要的物质就是冷暗物质，由于它是无热运动的非相对论性粒子因此得名。
在开始阐述这一模型的有效性之前，必须先交待一下其中最后一件重要的事情。
对于先前提到的小扰动（涨落），为了预言其在不同波长上的引力效应，小扰动谱必须具有特殊的形态。
为此，最初的密度涨落应该是标度无关的。
也就是说，如果我们把能量分布分解成一系列不同波长的正弦波之和，那么所有正弦波的振幅都应该是相同的。
大爆炸初期暴涨理论的成功之处就在于它提供了很好的动力学出发机制来形成这样一个标度无关的小扰动谱（其谱指数n=1）。
WMAP的观测结果证实了这一预言，其观测到的结果。
但是如果我们不了解暗物质的性质，就不能说我们已经了解了宇宙。
现在已经知道了两种暗物质--中微子和黑洞。
但是它们对暗物质总量的贡献是非常微小的，暗物质中的绝大部分现在还不清楚。
这里我们将讨论暗物质可能的候选者，由其导致的结构形成，以及我们如何综合粒子探测器和天文观测来揭示暗物质的性质。
暗物质是谁发现的
大约65年前，科学家们首次发现了暗物质存在的证据。
当时，天文学家弗里兹·扎维奇发现，大型星系团中的星系运动速度极快，除非星系团的质量远超根据其中恒星数量计算出的预期质量，否则这些星系将无法被束缚在一起。
之后的观测分析不断证实了这一发现。
尽管我们对暗物质的本质仍然知之甚少，但在80年代，大约占宇宙能量密度20%的暗物质已经被广泛接受。
在宇宙膨胀理论提出后，许多宇宙学家开始相信我们的宇宙是由多个平行空间组成的，并且宇宙的总能量密度必须等于临界值，以决定宇宙是封闭的还是开放的。
他们倾向于认为宇宙是简单的，其中能量密度都以物质的形式存在，包括我们已知的4%普通物质和未知的96%暗物质。
然而，观测数据从未与这一理论相符。
尽管在总物质密度的估计上存在较大误差，但这一误差并不足以使物质总量达到临界值，而且观测与理论模型之间的矛盾随着时间推移而加剧。
我们常常忽略的一点是，暗物质对于宇宙结构的形成至关重要。
如果没有暗物质，就不会有星系、恒星和行星，更不会有今天的人类。
宇宙在大尺度上表现出均匀性和各向同性，但在更小的尺度上，存在着恒星、星系、星系团以及星系长城等结构。
在大尺度上，唯一能够促使物质运动的力就是引力。
然而，均匀分布的物质不会产生引力，因此今天所有的宇宙结构都源自于宇宙早期物质分布的微小涨落，这些涨落会在宇宙微波背景（CMB）中留下痕迹。
普通物质不可能通过自身的涨落形成实质上的结构，又不在CMB中留下痕迹，因为在那时普通物质还没有与辐射分离。
另一方面，不与辐射耦合的暗物质，其微小的涨落在普通物质脱耦之前就放大了许多倍。
在普通物质脱耦之后，已经成团的暗物质开始吸引普通物质，进而形成了我们现在观测到的结构。
因此，宇宙结构的初始涨落非常微小。
所需的物质就是所谓的冷暗物质，由于它们是无热运动的非相对论性粒子，因此得名。
在讨论这一模型的有效性之前，需要说明一点：为了预言不同波长上的引力效应，先前提到的小扰动（涨落）必须具有特定的形态。
这就要求最初的密度涨落是标度无关的。
也就是说，如果我们把能量分布分解成一系列不同波长的正弦波之和，那么所有正弦波的振幅都应该是相同的。
大爆炸初期暴涨理论的成功之处在于它提供了一个动力学机制，有助于形成这样一个标度无关的小扰动谱（其谱指数n=1）。
WMAP的观测结果证实了这一预言。
然而，如果我们不了解暗物质的性质，就不能说我们已经了解了宇宙。
现在已经知道有两种暗物质——中微子和黑洞。
但它们对暗物质总量的贡献非常小，暗物质的大部分仍然是个谜。
我们将讨论暗物质可能的候选者，它如何导致结构形成，以及我们如何结合粒子探测器和天文观测来揭示暗物质的性质。
暗物质究竟会是什么？科学家为何对它如此着迷？
暗物质很神秘，它不与任何形式的电磁辐射相互作用：比如光，暗物质不发光，也不反射光。
尽管我们无法直接观测暗物质，但有大量证据证明暗物质的确存在。
暗物质存在的证据
上世纪40年代，弗里兹·扎维奇（ Fritz Zwicky ）首先间接的发现了暗物质。
他在观测近距空间和后发座星系团时，通过观测这些星系发出的光线，估算了星系团的整体质量。
但当扎维奇测量星系团中各个星系相对于星系团的运动速度时，发现星系团中星系的速度弥散度过高，相比下星系团质量产生的的引力很小：星团本该早被撕碎的。
图解：从引力透镜产生的效应，星系团CL0024+17内部被发现存在有一个暗物质圈，在这张哈勃太空望远镜像片里以蓝色显示出来。
不太可能是扎维奇正好观测到刚开始分解的星团。
相反，是除星系中可见物质以外的质量极大的物质的引力，将星系束缚在星系团内。
扎维奇推测，一定有一些我们看不见的物质在起作用：这种物质会产生可观测的引力作用，但不像普通正常物质一样发出辐射。
图解：被暗物质包围绕着的地球想像图
单个星系旋转曲线也进一步证明了暗物质的存在：它描述了漩涡星系中可见天体的环绕速度和其距离星系中心距离的关系。
靠外围的天体绕星系中心旋转速度很快，它们本不应该束缚于星系中——但事实确实如此。
如果我们现有对引力的认知是正确的，对这些天体的快速旋转只有一个解释：在星系晕中有无法观测的质量存在。
图解： 蓝色为聚集在阿贝尔1689星系团的暗物质。天文学家们通过引力透镜定位了这些聚集。
宇宙学家通过引力透镜，也推测暗物质存在。
因为光线从遥远的星系传播到地球的过程中，必须经过其他星系团等其他天体。
所以当光经过这样的星系团时，星系团强烈的引力场会像透镜一样，使遥远星系传来的光发生弯折和放大。
背景星系的成像可能会被扭曲成光弧或光环，或者被分离成多重成像。
由于扭曲程度取决于前景星系团的质量，天文学家们可以通过引力透镜来测量周围星系团的质量。
测量结果中始终不变的是，星系团的质量远应比测量结果大。
图解：一般星系的自转曲线：预测值（A）和观测值（B）。
暗物质的存在可以解释为何在半径较大时速度几乎不变。
宇宙中微波背景中的波动——大爆炸中剩余的辐射——进一步证明了暗物质存在。
宇宙学家可以通过这些波动计算出宇宙的密度和组成。
通过利用欧洲航天局的普朗克航天器计算，原子只构成宇宙能量和质量总和的4.9%。
而且，常规物质只占总物质（常规物质和暗物质）的六分之一。
所以暗物质占了宇宙总质量和能量的27%。
图解：今期与早期的宇宙质能分布饼图
此外，只有当将暗物质计算在内时，对大型天体的模拟和观测才匹配。
若不将暗物质计算在内，模拟则无法推算出我们在宇宙中看到的组成星系团“宇宙网”中的星系纤维和孔洞。
暗物质的性质
暗物质的性质尚未研究清楚。
科学家们在最广泛研究的模型中，假定暗物质由弱相互作用有质量粒子（WIMPs )组成。
目前已知的粒子物理标准模型中，还不存在这种这种亚原子粒子，但科学家们预测，这种粒子在超对称模型的延伸中存在。
弱相互作用有质量粒子会通过引力和常规物质作用，很少情况下，也会通过弱核力相互作用，弱核力是四大基本力之一（其它三个力分别是：强核力，电磁力和引力）。
图解：哈勃太空望远镜（Abell 1689）观察到的强引力透镜表明暗物质的存在-放大图像以观察透镜弧。
科学家们现在正在试图利用地下矿的探测器直接找到弱相互作用有质量粒子，或用使用间接的方法：用伽玛射线毁坏粒子，粒子会释放辐射。
（后者需要弱相互作用有质量粒子做自己的反粒子：物质+反物质=咪咪嘛咪哄完成！）。
然而，最近的回避侦测，比如从LUX探测器，superCDMS探测器和大型强子对撞机的报告显示，科学家们面临着复杂程度前所未有的弱相互作用有质量粒子模型。
图解：由哈勃太空望远镜测量的弱引力透镜重建的暗物质大规模分布的三维地图。
当然，也有可能是我们急需修正现有对引力的认知，修正爱因斯坦的广义相对论。
到目前为止，广义相对论还是经得住考验的，但一些天文学家和物理学家正在研究引力变化，比如提出修改的牛顿动力学（MOND理论），来尝试能否证明暗物质是不存在的。
参考资料
百科全书
2.天文学名词
3. skyandtelescope-慧子
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