暗物質（Dark Matter）

暗物質（Dark Matter）
國立彰化高級中學物理科李明中老師/國立臺灣師範大學物理系蔡志申教授責任編輯

在宇宙學中，暗物質是指那些不發射任何光及電磁輻射的物質。人們目前只能通過引力產生的效應得知宇宙中有大量暗物質的存在。

暗物質存在的最早證據來源於對球狀星系旋轉速度的觀測。現代天文學透過星系轉動曲線、引力透鏡、宇宙中大尺度結構形成、微波背景輻射等研究證據，顯示宇宙中 $$85-90\%$$ 的質量不帶有電磁交互作用。這些暗物質只透過引力作用而顯現它們的存在。

1930 年代初，瑞士天文學家茲威基（F. Zwicky）發表了一個驚人結果：在星系團中，看得見的星系只佔總質量的 $$1/300$$ 以下，而 $$99\%$$ 以上的質量是看不見的。質量下落不明。

實際上，1978 年已經出現第一個更令人信服的證據，這是測量物體圍繞星系轉動的速度。根據物體（星體或氣團）圍繞星系運行的速度和該物體距星系中心的距離，就可以估算出星系範圍內的總質量。結果發現，星系的總質量遠大於星系中可見星體的質量總和。結論似乎只能是：星系裡必有暗物質。

2003 年 2 月 11 日，美國航太總署召開記者會，公告最新測得的宇宙學參數。其中有關宇宙間物質成份的結果是：$$4\%$$ 的質量是重子物質（baryon）、$$24\%$$ 暗物質、$$72\%$$ 暗能量。

亦即宇宙主導成份是「暗」的，重子佔極少數。這裡「重子物質」指的是質子、中子以及由它們構成的各種物體，例如人的身體就是由重子所構成的。

2006 年，美國天文學家利用錢德拉X射線望遠鏡對星系團1E 0657-56進行觀測，無意間觀測到星系碰撞的過程，星系團碰撞威力之猛，使得黑暗物質與正常物質分開，因此發現了暗物質存在的直接證據。

暗物質的存在可以解決大爆炸理論中的不自洽性，對結構形成也非常關鍵。暗物質很有可能是一種（或幾種）粒子物理標準模型以外的新粒子。對暗物質和暗能量的研究是現代宇宙學和粒子物理的重要課題。

暗物質的探測在當代粒子物理及天體物理領域是一個很熱門的研究領域。對於大質量弱相互作用粒子來說，物理學家可能通過放置在地下實驗室，背景信號減少到極低的探測器直接探測，也可以通過地面或太空望遠鏡對這種粒子在星系中心，太陽中心或者地球中心湮滅產生的其他粒子來間接探測大質量弱相互作用粒子。人們也希望歐洲大型強子對撞器或者未來的國際直線加速器中人工創造出這些新粒子來。

以下是人們提出的一些不同類型的暗物質：在眾多可能是組成暗物質的成分中，最熱門的要屬一種被稱為大質量弱相互作用粒子（Weakly Interacting Massive Particle，簡稱WIMP）的新粒子了。這種粒子與普通物質的作用非常微弱，以致於他們雖然存在於我們周圍，卻從來沒有被探測到過。還有一種被理論物理學家提出來解決強相互作用中 CP 問題，被稱為軸子（Axion）的新粒子，也很有可能是暗物質的成分之一。惰性微中子（sterile neutrino）也有可能是組成暗物質的一種成分。

參考資料：

1. 維基百科–暗物質  http://zh.wikipedia.org/zh-tw/暗物質
2. 克萊恩（David B. Cline）（2003），李精益譯，「尋找暗物質」，科學人，第14期，第61-67頁。
3. 方勵之（2003），「以明察暗，以大制小：暗物質、暗能量存在的證據」，科學人，第14期，第68-70頁。