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• 发布时间：2025-11-25 12:26:32
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宇宙，降生在约137亿年前的年夜爆炸。于降生之初，宇宙处在高温、高密度、匀称的状况，跟着宇宙的膨胀、冷却，原子患上以形成，并于引力作用下堆积。年夜爆炸后约1亿年，第一代恒星形成，随之形成的是恒星的堆积体——星系。星系经由过程归并，吸积气体，逐渐发展。璀璨的星系世界就如许从无到有一步步形成。

20世纪30年月以来，一系列天文不雅测显示，以璀璨群星为代表的原子物资只盘踞宇宙物资总量的很少一部门，宇宙中存于年夜量孕育发生引力却不发光的物资，如许的物资被称作“暗物资”，其总量远远跨越组成可见世界的物资。

暗物资的存于对于宇宙的布局演化及星系形成至关主要。于宇宙初期，暗物资堆积孕育发生的引力提供了星系形成所需要的引力势阱。假如暗物资不存于，那末咱们所处的星河系就没法形成。是以，自其存于被不雅测确定以来，暗物资一直是天文学最主要的研究对于象之一。

暗物资及原子物资差别，它不介入电磁彼此作用，不发光，也不会被光照亮。不外，科学家可以或许基在暗物资引力效应，测绘其于宇宙中的漫衍，进而摸索暗物资是甚么。跟着新一代高精度天文不雅测举措措施投入利用，“隐形”的暗物资正于被更好地“瞥见”。

看不见摸不着，怎样测绘暗物资

宇宙标准的暗物资测绘重要有三类要领。

第一种要领，暗物资存于引力，这会影响天体的运动，而天体的运动可以经由过程光谱学要领及天体丈量学要领“捕获”。20世纪30年月，天文学家弗里兹 茨威基恰是由于发明了星系团中星系的运动速率太快，需要分外的物资来提供引力束厄局促，进而意想到暗物资的存于。此刻，对于恒星、星团、星际气体云等天体的运动丈量，仍旧是研究星河系及近邻星系内暗物资漫衍的最重要手腕。

第二种要领，是经由过程引力透镜效应举行暗物资研究，这也是运用最为广泛的暗物资测绘要领。按照广义相对于论，任何物资城市有引力效应，可以或许使其周围的空间弯曲。遥远星系发出的光，颠末弯曲的宇宙空间来到地球，不雅测者看到的星系形态与其原来的形态比拟就是扭曲的。这种似在透过玻璃透镜不雅察世界会看到扭曲的情形，是以称作引力透镜效应。于年夜大都环境下，这类扭曲很是稍微，被称作弱引力透镜效应。天文学家经由过程切确丈量方针天区里年夜量星系的形态，并举行统计阐发，可以提取由暗物资带来的空间扭曲信息，进而绘制方针天区中的暗物资密度漫衍。此外，于配景星系、作为透镜的引力势场中央、不雅测者三者险些连成一线的环境下，不雅测者不雅察到的星系图象会有更强烈的扭曲，形成爱因斯坦环、巨弧等强引力透镜征象。强引力透镜征象尤其合适研究宇宙小标准（1000光年—10万光年标准）的暗物资漫衍。

第三种要领，是使用星系作为示踪物来研究暗物资于宇宙标准的漫衍。所有的星系都形成于被称为“暗晕”的暗物资团块中，并跟着暗晕的质量增加及彼此归并演化。假如咱们把星系于数万万光年空间标准上的漫衍画成一张图，这张图会出现出蛛网般的形态，被称作“宇宙网”。宇宙网现实上出现了暗物资漫衍的年夜标准布局。基在宇宙布局演化理论，科学家可以经由过程统计星系的空间漫衍、星系与星系之间的位置联系关系来研究暗物资的宇不雅漫衍。

暗物资的“真脸孔”是甚么

暗物资是一种基本粒子吗？它的静止质量是几多？怎样及其他粒子彼此作用呢？这些问题，此刻还有没有明确的谜底。

假如暗物资是一种粒子，那末它可能会衰变、湮灭，从而可能转化为可不雅测的光子或者其他可探测的粒子。人类探测暗物资粒子可以“上天”摸索：于太空中，美国的费米伽马射线卫星试图不雅测暗物资湮灭孕育发生的伽马光子，中国科学院主持研制的暗物资粒子探测卫星“悟空”的方针则是不雅测暗物资可能转化形成的高能电子/正电子；也能够“入地”探访：于地下试验室，美国的暗物资探测器LUX-ZEPLIN，欧洲的XENONnT试验及中国的“熊猫试验”（PandaX）、暗物资试验项目（CDEX）等则试图不雅察暗物资与平凡物资碰撞孕育发生的辉光。这些不雅测从多方面压缩了暗物资粒子的潜藏空间，帮忙咱们逐渐靠近暗物资粒子素质。

比拟在直接探测暗物资粒子，天文不雅测更存眷暗物资的性子。借助宇宙学高精度数值模仿，科学家可以将暗物资粒子的微不雅属性及暗物资于万万光年甚至兆亿光年标准上的物资漫衍布局成立切确的接洽，这就犹如一座修建，用竹木、砖石制作还有是用钢筋制作，将影响到年夜楼的高度、形态等。反过来，宇宙物资漫衍的宏不雅布局，也能够用在研究暗物资粒子的性子。

人类今朝对于在暗物资的认知，重要来自天文学不雅测。经由过程宇宙微波配景辐射、宇宙年夜标准布局等不雅测，科学家确定暗物资的总量是可见物资总量的5倍以上。此外，暗物资粒子的性子必需答应宇宙布局以一种“等级成团”的方式形成——小的布局先在年夜的布局形成。这表示暗物资多是一类质量很年夜的粒子，于宇宙初期具备较小运动速率，切合如许性子的暗物资被称为“冷暗物资”。

当前，天文学前沿不雅测对于在暗物资性子的摸索，重要集中于两个方面。起首是暗物资粒子的质量，这个问题常被描写为“暗物资毕竟有多冷”。于宇宙中，越“冷”的暗物资，可以或许形成越多的低质量暗晕。对于强引力透镜、星河系星流等征象的不雅测，可以丈量到质量很是低的暗晕。另外一个方面是暗物资粒子怎样及其他粒子以和自身发生彼此作用。这可以被形象描写为“暗物资粒子会不会碰撞”。暗物资粒子的这一性子会影响到暗晕的内部布局，经由过程强、弱引力透镜及运动学要领切确丈量暗晕内的物资漫衍，将有助在相识暗物资粒子的“碰撞”能力。

咱们离暗物资的答案还有有多远

天文学家当前但愿将差别的不雅测要领联合起来，获取从太阳邻域到百亿光年标准暗物资漫衍的“具体舆图”以研究暗物资性子。这需要开展一种被称作“巡天”的普查式不雅测，用在体系、匀称地获取于广漠宇宙空间中的天体图象、光谱信息，并从中提取星系动力学、引力透镜等信息，进而测绘暗物资漫衍。新一代空间天文旗舰级项目，包括欧洲航天局发射的欧几里患上千里镜、我国的巡天空间千里镜及美国的罗曼空间千里镜，都将于太空开展高精度巡天不雅测。此中，我国将要发射的巡天空间千里镜搭载了年夜视场巡天相机及多台天文精测探测器，有望于暗物资测绘及暗物资性子研究范畴取患上进展。

巡天空间千里镜的口径及哈勃千里镜相称，但一次可不雅测的天空规模远超美国发射的哈勃千里镜及韦布千里镜，尤其合适开展对于宇宙的图象及光谱普查事情。假如说哈勃千里镜是长焦镜头，可以拍摄到远山上一头奶牛的清楚图象，巡天空间千里镜就比如广角镜头，可以一次性拍摄整个山上牛群的图象，而且此中任何一头牛的样子都十分清楚。

除了了巡天千里镜，我国还有建成为了一系列合适开展暗物资研究的地面千里镜，好比郭守敬千里镜，这是丈量星河系内暗物资漫衍的主要举措措施；“中国天眼”500米口径球面射电千里镜（FAST），可提供近邻宇宙氢原子云的漫衍信息，这些氢原子云也能够作为暗物资的示踪体来搜刮低质量的暗晕。此外，我国介入的年夜型国际互助项目“平方千米阵列”将于射电波段打开三木SEO-一扇测绘暗物资的“窗户”。

跟着新一代海量天文数据的得到，于将来的10—20年，暗物资的天文学测绘有望进入一个黄金期间。现阶段咱们所做的努力或许其实不是为了明天或者后天，而是为了更遥远的将来，咱们期待可以或许真正理解暗物资世界。

（作者为北京师范年夜学传授、巡天千里镜科学事情结合中央科学数据责任科学家）