我们早已知到宇宙中不止只有恒星
事实上，在地球自转时，没有没有任何物体因为离心力而被甩出，就佐证了有某种力量可能对物质产生约束。当深入研究这个现象时，我们发现了暗物质。
什么是暗物质，它又存在何处？
暗物质是人类已知但不可见的存在。我们可以通过一个破碎或不规则的玻璃证明暗物质的存在，其背后的原理是‘重力透镜’，即光束穿透玻璃表面时发生弯曲的现象，根据光线偏移的程度，我们还可以计算出该碎玻璃的厚度。
上图为重力透镜效果模拟。图片来源：NASA/STSCI
暗能量调查项目（DES）利用重力透镜原理寻找暗物质时，观测到令人震惊的现象：暗物质似乎起着将宇宙凝聚在一起作用，类似于建筑上的脚手架的功能。这个‘脚手架’自宇宙大爆炸初始就已存在，其触角延绵至上千星系，并将它们紧束在一起。使用智利的布兰科望远镜，科学家观测到在恒星分布密集的地方存在黑色网状结构的暗物质。
现在我们知道了暗物质在何处，那么，它究竟是什么呢？为了了解暗物质的本质，科学家决定使用位于欧洲核子研究中心(CERN)大型强子对撞机（LHC）进行粒子加速器实验，即用巨大能量使粒子之间发生碰撞，然后观测该碰撞产生的效果。该实验使用原理与人类历史上最大规模的实验 – 1908年卢瑟福勋爵发现原子的实验 – 原理相同。那么，为什么我们无法捕获或触碰到暗物质呢？
上图为大型强子对撞机（LHC）。图片来源：CERN
暗物质与星系
星系由三种基本成分组成：暗物质，恒星与气体云。当星系间相撞时，气体云会碰撞到一起，最后由于重力作用而合并，然而恒星则永远是毫发无损，在这个过程中隔开两个恒星的正是暗物质这个中介物。暗物质的这个运动轨迹揭示了其属性。
上图为天线银河，由两个星系碰撞产生。 图片来源： ESA/Hubble & NASA
在对子弹星系团碰撞的研究中，天文学家发现暗物质极少于其周边物质发生反应，事实上，它会尾随恒星的运动速度，从而阻隔恒星间碰撞。科学家用选取了一个视点或者说定格帧，将这个已存在1亿年的物质用动态3D 成像勾勒出来。其间，我们观测到星团中发生72次碰撞，得益于这些基数较大且及时的观测，我们确认了暗物质鲜与其他物质发生反应。
第73次碰撞报告是对单独星系而非星团的观察。观察发现，在碰撞时星系间会有充分接触，巨大的重力会让他们相互间围绕旋转，最后相互穿越。在这个过程中，很小的摩擦力都会使暗物质产生可观测到的拉力，并作用于恒星周围。因为这次碰撞距离地球较近，且与重力透镜的角度吻合，给我们的观察提供了便利。但敏感测试表明，暗物质偏离了恒星。
因为实验中气体云速度减慢至消散点，无法作为校准暗物质行为的参照物，我们需另外寻找支点。但遗憾的是，因为摩擦力产生的偏移，另一个研究碰撞的方法（观察碰撞持续的时间）也不再适用。
尽管我们无法找到解释暗物质偏离于恒星的原因，杜伦大学的计算机宇宙学研究所（拥有全球最大超级计算机模拟系统）与粒子物理现象学研究所或许可以找到答案。如果模拟百万次星团碰撞，我们或许可以复制所观察到该偏移的路线。
另一个萦绕在我们脑中的假想是，或许暗物质可以与非重力的其他外力相互作用？如果两个暗物质粒子发生相互作用，他们会需要另一种粒子作为作用力载体，这是否是突破暗物质研究的关键呢？
这80年来，科学家一直好奇平行宇宙是否存在，是否有一个黑暗而神秘的另一个世界。通过对暗物质的研究，谁都不敢断言等着我们发掘的未知领域会有什么。相关科学实验将在不远的未来为我们揭晓答案。
上图为从地球观测的暗物质图谱，图片来源: Dark Energy Survey
作者: learning-mind
FY: 小弭
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