暗物質到底是什麼？

當星系團對撞的時候，它們的暗物質會互相穿過，彼此幾乎互不影響。瑞士洛桑聯邦理工學院和愛丁堡大學的科學家挑戰了暗物質是由粒子構成的這一說法，讓暗物質這個謎變得更加高深莫測。

暗物質到底是什麼？

暗物質是最大的科學謎題之一。宇宙中的大量物質都是暗物質，它們是看不見的，也和我們所感受到的任何東西都不一樣。關於暗物質有很多理論，但是沒有一個能一統江湖。在瑞士洛桑聯邦理工學院和愛丁堡大學進行的一項合作研究中，科學家考察了在長達幾十億年的時間裡，在星系團的相互碰撞中，暗物質的行為模式是什麼樣的。

雖然宇宙中90%以上的物質都是暗物質，宇宙中四分之一以上的能量來源於暗物質，但是我們對於暗物質知之甚少。天文學家所持的一個主流觀點是，暗物質是由一種我們還沒有發現的新型次原子粒子構成的。還有更異乎尋常的理論認為，暗物質是一種量子虧損，是異次元的質量，甚至是引力的一種變形。

暗物質會影響什麼？

我們確切知道的是，暗物質會通過引力與宇宙結構相互影響，會改變宇宙結構的形態。例如，暗物質會使穿過它們的光發生彎曲，使遠距離空間物體的形象發生扭曲。而且，暗物質會加速星系團中星系的移動。星系團是幾百個星系的集合，其中包含的恆星、行星和氣體數量是真正的天文數字。星系團中也有90%的物質是暗物質，所以是理想的研究對象，特別是星系團相互碰撞而導致它們中的暗物質發生互動的時候。

瑞士洛桑聯邦理工學院的David Harvey研究了星系團的碰撞，發現了關於暗物質的性質的若干線索。他和他的同事一共研究了72個星系團碰撞的數據。這些宇宙大碰撞發生在長達幾十億年的時間裡，是星系團因為其自身的龐大質量相互吸引而發生的。當星系團發生碰撞時，每個星系團中的暗物質都會與另一個星系團中的暗物質發生互動，為我們提供了研究暗物質的獨特機會。

Harvey的數據來自於Chandra X射線太空望遠鏡和哈勃望遠鏡，其中也包括著名的子彈星系團大碰撞，這次特殊的碰撞實際上是目前掌握的證明暗物質存在的最好證據。

星系團碰撞告訴我們什麼？

研究人員分析了這些碰撞的數據，衡量了當另個星系團碰撞時其中暗物質的動量的變化。在地球上的實驗告訴我們，當次原子粒子互動時，它們會交換動量。因此，根據碰撞後暗物質動量的變化，研究者就可以了解它們的性質。

為了驗證暗物質是由粒子構成的這個理論，研究設想了兩種可能出現的情境：

一種情境是暗物質頻繁互動，但是幾乎不交換動量；

另一種情境是暗物質之間的互動極少，但是會交換大量的動量。

在第一種情況下，暗物質在碰撞後速度會慢下來，因為頻繁的粒子互動會導致額外的「阻礙」。

在第二種情況下，暗物質會四處分散，並最終消失在空間里。

令人驚訝的是，研究發現，星系團中的暗物質的碰撞時只是互相穿過。這意味著暗物質粒子之間並沒有發生互動，從而也沒有因此放慢速度。相反，雖然暗物質似乎會與可見物質發生非引力性的互動，但是它們彼此之間卻不會互動。

更重要的是，這項研究挑戰了暗物質是由像質子這樣的粒子，或任何粒子，構成的這個觀點。「我們現在認為，『兩個暗物質粒子』發生互動的可能，小於兩個質子發生互動的可能。這意味著暗物質不可能是由『暗質子』構成的，」David Harvey說。「如果暗物質是由暗質子構成的，我們就會看到它們互相發生撞擊。」

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