我們早已知到宇宙中不止只有恒星
事實上，在地球自轉時，沒有沒有任何物體因為離心力而被甩出，就佐證了有某種力量可能對物質產生約束。當深入研究這個現象時，我們發現了暗物質。
什么是暗物質，它又存在何處？
暗物質是人類已知但不可見的存在。我們可以通過一個破碎或不規則的玻璃證明暗物質的存在，其背后的原理是‘重力透鏡’，即光束穿透玻璃表面時發生彎曲的現象，根據光線偏移的程度，我們還可以計算出該碎玻璃的厚度。
上圖為重力透鏡效果模擬。圖片來源：NASA/STSCI
暗能量調查項目（DES）利用重力透鏡原理尋找暗物質時，觀測到令人震驚的現象：暗物質似乎起著將宇宙凝聚在一起作用，類似于建筑上的腳手架的功能。這個‘腳手架’自宇宙大爆炸初始就已存在，其觸角延綿至上千星系，并將它們緊束在一起。使用智利的布蘭科望遠鏡，科學家觀測到在恒星分布密集的地方存在黑色網狀結構的暗物質。
現在我們知道了暗物質在何處，那么，它究竟是什么呢？為了了解暗物質的本質，科學家決定使用位于歐洲核子研究中心(CERN)大型強子對撞機（LHC）進行粒子加速器實驗，即用巨大能量使粒子之間發生碰撞，然后觀測該碰撞產生的效果。該實驗使用原理與人類歷史上最大規模的實驗 – 1908年盧瑟福勛爵發現原子的實驗 – 原理相同。那么，為什么我們無法捕獲或觸碰到暗物質呢？
上圖為大型強子對撞機（LHC）。圖片來源：CERN
暗物質與星系
星系由三種基本成分組成：暗物質，恒星與氣體云。當星系間相撞時，氣體云會碰撞到一起，最后由于重力作用而合并，然而恒星則永遠是毫發無損，在這個過程中隔開兩個恒星的正是暗物質這個中介物。暗物質的這個運動軌跡揭示了其屬性。
上圖為天線銀河，由兩個星系碰撞產生。 圖片來源： ESA/Hubble & NASA
在對子彈星系團碰撞的研究中，天文學家發現暗物質極少于其周邊物質發生反應，事實上，它會尾隨恒星的運動速度，從而阻隔恒星間碰撞?？茖W家用選取了一個視點或者說定格幀，將這個已存在1億年的物質用動態3D 成像勾勒出來。其間，我們觀測到星團中發生72次碰撞，得益于這些基數較大且及時的觀測，我們確認了暗物質鮮與其他物質發生反應。
第73次碰撞報告是對單獨星系而非星團的觀察。觀察發現，在碰撞時星系間會有充分接觸，巨大的重力會讓他們相互間圍繞旋轉，最后相互穿越。在這個過程中，很小的摩擦力都會使暗物質產生可觀測到的拉力，并作用于恒星周圍。因為這次碰撞距離地球較近，且與重力透鏡的角度吻合，給我們的觀察提供了便利。但敏感測試表明，暗物質偏離了恒星。
因為實驗中氣體云速度減慢至消散點，無法作為校準暗物質行為的參照物，我們需另外尋找支點。但遺憾的是，因為摩擦力產生的偏移，另一個研究碰撞的方法（觀察碰撞持續的時間）也不再適用。
盡管我們無法找到解釋暗物質偏離于恒星的原因，杜倫大學的計算機宇宙學研究所（擁有全球最大超級計算機模擬系統）與粒子物理現象學研究所或許可以找到答案。如果模擬百萬次星團碰撞，我們或許可以復制所觀察到該偏移的路線。
另一個縈繞在我們腦中的假想是，或許暗物質可以與非重力的其他外力相互作用？如果兩個暗物質粒子發生相互作用，他們會需要另一種粒子作為作用力載體，這是否是突破暗物質研究的關鍵呢？
這80年來，科學家一直好奇平行宇宙是否存在，是否有一個黑暗而神秘的另一個世界。通過對暗物質的研究，誰都不敢斷言等著我們發掘的未知領域會有什么。相關科學實驗將在不遠的未來為我們揭曉答案。
上圖為從地球觀測的暗物質圖譜，圖片來源: Dark Energy Survey
作者: learning-mind
FY: 小弭
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