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主译：余路汉

校译：酥油饼

审阅：牧夫天文校对组

编排：张一帆

后台：李子琦

暗物质的原形

20世纪中期的天文学家们开始设想，星系或者星系团是否被望远镜观测不到的物质所包裹着。这些未知的物质被我们称之为“暗物质”，这是为了与圆盘星系的旋转速度过快这一观测事实相吻合而引入的假说。

之后，“如果暗物质存在那么就能解释”的事例越来越多。举几个例子来说：

星系团中的星系移动速度超越了逃逸速度

大爆炸后过快的星系形成

星系团中高温气体的存在

频繁地发生星系融合

发现了许多受引力透镜影响的星系

无棒螺旋星系大量存在

矮星系的恒星移动速度过快

等等之类的。虽然到现在为止仍然未发现暗物质存在的直接证据，但是在如此多的情况证据积累下，在现代天文学中，暗物质的存在是一个标准认知。另外，根据宇宙论的相关研究，研究人员计算出了宇宙中的暗物质总量，约是恒星和气体等的由原子和分子所构成物质的5倍。

但是，暗物质到底是一个怎样的物质，其原形仍然是一个迷。

迄今为止，希格斯玻色子被认为可能是最有力的粒子候补。

2012年发现希格斯玻色子的存在，第二年就给希格斯玻色子的发现者们授予了诺贝尔物理学奖，只不过仍然未能确认它就是暗物质的原形。

另一方面，有一种说法是宇宙中存在很多被称之为“原初黑洞”的小型黑洞。据说这个黑洞是在宇宙大爆炸之后，在宇宙中蔓延开来的超高密度波动中产生的，如果这种黑洞大量存在的话，就有可能成为暗物质的候补选项。

理论上原初黑洞的质量没有什么限制，所以它有可能比由超新星爆炸中诞生的一般黑洞的质量要小。因为和太阳同质量或者比太阳质量小的黑洞是不可能从超新星爆发中诞生的，所以说如果发现了小质量的黑洞，那么它极有可能是在宇宙初期就诞生的原初黑洞。并且，暗物质并不是单一的物质，它也有可能是由像希格斯玻色子和原初黑洞等的各种物质所混合而成。

用微引力透镜效应探寻暗物质原形

有一种方法是利用“微引力透镜效应”的现象，调查类似原始黑洞这样质量较大的天体是否作为暗物质存在。“引力透镜效应”是爱因斯坦的广义相对论所预言的一种现象。在恒星和星系的光到达望远镜这条直线上，如果有质量非常大的天体存在，大质量天体就发挥了透镜的作用，使得我们看到的恒星或星系的图像是扭曲、分裂的。

但是，只有起到透镜作用的天体的质量是非常大的情况下，才能清楚的看到扭曲、分裂的图像，如果天体的质量不够大，其透镜效果是会变弱，只能观测到背景的星光有一时之间变强的“增光”现象。通过检出增光现象，而探寻视线上无法看到的天体的方法就是“微引力透镜法”。

从地球上用望远镜观测大麦哲伦星云中的恒星时，恒星的光会穿过大麦哲伦星云和银河系之间应该存在的暗物质，到达望远镜。如果暗物质的原形是原初黑洞，那么大麦哲伦星云中恒星的光就会有可能受到黑洞作用的微引力透镜效应的影响。这种增光现象被检测到的频率和持续时间的长度由原初黑洞的质量和个数决定。因此，通过长时间持续观测大麦哲伦星云中的众多恒星，对增光现象进行调查统计，就可以发现原初黑洞的存在及其质量。

▲图：欧洲南方天文台（ESO）的施密特望远镜拍摄的大麦哲伦星云。（Credit: ESO）

华沙大学的PrzemekMroz和同事在科学杂志Nature上发表了一项新的研究，从2001年开始的20年间，他们通过持续观测大麦哲伦星云中心的7870万颗恒星的亮度变化，探寻微引力透镜现象，并调查原初黑洞是否有可能就是暗物质的原形。

其结果显示，在20年间观测到的微引力透镜现像只有13次，并且所有的增光时间都没有超过1年。根据MROZ的理论模型预测，假定黑洞是由和太阳同质量的原初黑洞所构成的，那么我们应该观测到554次的为引力透镜现象。与预测相比，实际上只有13次的现象着实有些少的可怜。

即使认为检出的增光现象都是大麦哲伦云中的其他恒星起到了透镜的作用，从概率上来说也不是什么不可能的结果。MROZ得到的结论是没有得到暗物质的原形是原初黑洞的积极证据。更加具体的说，MROZ从观测数据中计算出了，质量约为太阳质量的6倍到2万分之一的原初黑洞，即使存在于暗物质中，其数量也不到整体的1%。

那么，质量比太阳2万分之一还小的原初黑洞呢？虽然只有太阳的2万分之一，但它也是地球的10倍质量。关于更小质量的原初黑洞，基于日本的研究小组运用昴星望远镜的研究显示，即便考虑太阳质量约100亿分之一的原初黑洞，其结论也是黑洞总量的1%以下。虽然没有否定原初黑洞这样一个天体的存在，但其数量也没有丰富到可以解释暗物质的程度。

责任编辑：甘林

牧夫新媒体编辑部

『天文湿刻』牧夫出品

被暗物质包围着的地球（想象图）（图源：NASA/JPL-Caltech）

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发现了暗物质的真身？