1. 暗物质简介

1.1 问题的历史由来

在迈克尔孙-莫雷实验和黑体辐射问题的推动下，20实世纪的物理学取得了辉煌的成就。在大量的新的规律和现象中量子论和相对论应运而生。这使人们对微观世界的认识得到了进一步的发展。当这些新的成果与现代宇宙学结合起来的时候，直接催生出了大爆炸宇宙论。轻元素起源的问题得以成功解决。为精确宇宙学时代的到来打下了基础。在精确宇宙学时代，大量的高精度天文观测使人们认识到宇宙中存在一种在宇宙学时间尺度上稳定、自身不会发光、有质量的、非相对论性运动的粒子构成的物质，即暗物质[1]。

人类对暗物质研究的历史可追溯到20世纪30年代，1933年，Zwicky通过观察后发座星系团中星系的速度的变化规律推断出的星系团质量，比通过星系团中发光星体推出的质量足足大了数百倍。对同一对象的两种不同的观测方法却得出了两种不同的结论。经过慎重的思考后，他最终得出了令人无法理解的结论：该星系团的主要构成物质是不发光的，他称这些物质为“暗物质”。此时“暗物质”这一名词才首次出现[1]。在接下来的数年间，人们在对不同的星系的观测过程中都发现了类似的现象。直到1970年，Rubin和Ford研究了仙女座大星云中星体旋转的曲线。他们在研究过程中运用了经过改进的技术，此技术可以探测到距离星系核区域较远的可见星体的运动速度。但观测结果却与预测值有较大差异。根据牛顿万有引力定律与圆周运动的规律：

该星系外围的星体的速度应该是随着距离增大而减小。但观测的结果却是在该星系外围一定范围内的星体的速度是恒定的，而且是相当大的范围内。也就是说该星系外围的星体的运动轨迹不符合牛顿的万有引力定律。此后人们开始了大量的后续研究，对暗物质的研究也由此真正的拉开了帷幕。

1.2 何为暗物质

1.2.1 暗物质的性质

前文中我么提到暗物质一种在宇宙学时间尺度上稳定、不发光、非相对论性运动的、有质量的粒子构成的物质。我们知道光子是带电粒子传递电磁力的媒介，因此我们认为暗物质粒子不直接参与电磁相互作用，也就是说暗物质应该是电中性的。由最初的Zwicky到Rubin和Ford的一系列现象和数据均说明暗物质是参与引力相互作用的，且暗物质在宇宙中承担着主要引力源的重要角色。除此以外，暗物质的寿命也应该是足够长的，要长于宇宙寿命（约136亿年）。否则当前的宇宙组成成分将改变。换句话说就是暗物质不衰变，或衰变速度非常慢[2]。

我们可以通过对CMB（宇宙微波背景辐射）的测量来确定暗物质占整个宇宙的能量密度比例为：

其中h是现阶段宇宙的哈勃常数，Ω是暗物质能量密度与宇宙临界密度的比值。通过观测我们可以得到暗物质占宇宙总能量构成的比例为26.8%，暗能量占宇宙总能量构成的比例为68.3%，而常规的重子物质仅占4.9%。宇宙中重子物质占宇宙总能量的比例可以通过理论的计算得出，而且我们计算出的结果符合实际观测的结果。但我们的计算与实际观测均表明重子物质对宇宙总物质的贡献只有很小一部分，也就是说重子物质无法承担宇宙中的主要暗物质组成的角色[3]。由此可知暗物质的构成粒子为非重子物质。

1.2.2 暗物质的分类

想要直接探测暗物质并不容易，但我们可以通过天体运动规律来间接的反映暗物质的存在,源^自,优尔"文'论.文]网[www.youerw.com。暗物质可分为重子暗物质与非重子暗物质。根据前文所述，重子暗物质所占比例非常小，大部分为非重子暗物质[4]。