暗物質

暗物質（Dark matter）是理論上提出的可能存在于宇宙中的一種不可見的物質，它可能是宇宙物質的主要組成部分，但又不屬于構成可見天體的任何一種已知的物質。大量天文學觀測中發現的疑似違反牛頓萬有引力的現象可以在假設暗物質存在的前提下得到很好的解釋。

看不見，測不到但是可以算得出

盡管暗物質尚未被直接探測到，但已經有大量證據表明其大量存在于宇宙中。早在1915年，愛因斯坦剛剛提出廣義相對論的那一年，他就得出推論：宇宙物質的平均密度必須達到5×10^-30克／立方厘米，這樣全宇宙才能保持穩定。后來經觀測得出，宇宙物質密度遠遠小于這個理論值，竟整整小了100倍。

1933年，在加州理工上班的瑞士天文學家茲威基，在推算星系團平均質量時，發現星系質量與觀測亮度相差160倍，因而推導出星系團里絕大部分物質都是看不見的。

我們都知道，太陽系所有行星都繞著太陽跑，距離太陽越遠，公轉速度越慢。根據引力理論，旋轉星系也應該遵循這一規律（開普勒定律）旋轉才對——但是觀測結果卻大大出乎意料，處在遠離星系中心的恒星，公轉速度要比開普勒定律的理論值大很多，恒星速度越大，需要拉住它的引力就越大。但問題是，這種巨大引力是從哪里來的？1970年代，美國女天文學家薇拉·魯賓就是最早從星系自轉問題入手來推測出暗物質存在的。結果只能導向一種解釋：全靠暗物質出手相助！幕后操縱！否則，要么不是旋轉星系早散架了，要么就是星系必須老老實實地遵循開普勒定律。

星系自轉速度問題

暗物質存在的另一個強有力證據，就是“引力透鏡效應”。剛才說了，既然暗物質具有引力效應，就應該造成廣義相對論所預言的時空彎曲。當光線透過彎曲的時空，就會產生偏轉，就像光線在棱鏡中出現折射現象一樣。這就是愛因斯坦早有預言、并在天文學界反復觀測證實了的「引力透鏡效應」1980年，天文學家觀測到類星體Q0957+561發出的光，就是兩個一模一樣的類星體，這是人類第一次觀測到引力透鏡效應。從此以后，利用這種引力透鏡效應，成為當代天文學家觀測大尺度范圍內的暗物質的最好方法。

引力透鏡

引力透鏡

宇宙微波背景輻射

在宇宙尺度上，通過對宇宙中微波背景輻射（cosmic microwave background radiation）各向異性的精細觀測，可以確定出宇宙中暗物質的總量。觀測表明宇宙總能量的26.8% 由暗物質貢獻，構成天體和星際氣體的常規物質只占4.9%，其余68.3%為推動宇宙加速膨脹的暗能量。

從目前觀測結果看，暗物質的運動速度遠遠低于光速。構成暗物質的粒子應該是電中性的。有科學家稱，最有可能的是——已知61種基本粒子中的3種中微子和3種反中微子。

宇宙大尺度結構是纖維狀結構和宇宙長城，這中間就是宇宙空洞，而支撐空洞存在的力量就是暗物質。

暗能量

暗物質如果撐起了宇宙的骨架，那么暗能量就是驅動宇宙運動的“發動機”。它和暗物質都不會吸收、反射或者輻射光，所以人類無法直接使用現有的技術進行觀測。

暗能量的發現過程極富戲劇性。按照宇宙大爆炸理論，在大爆炸發生之后，隨著時間的推移，宇宙的膨脹速度將因為物質之間的引力作用而逐漸減慢，就像緩慢踩了剎車的汽車一樣。也就是說，距離地球相對遙遠的星系，其膨脹速度應該比那些近的星系慢一些。

但1998年，美國加州大學伯克利分校（UCBerkeley）物理學伯克利國家實驗室（LBNL）高級科學家索爾皮爾姆特（SaulPerlmutter），以及澳大利亞國立大學布賴恩施密特（BrianSchmidt）分別領導的兩個小組，通過觀測發現，那些遙遠的星系正在以越來越快的速度遠離我們。換句話說，宇宙是在加速膨脹，仿佛一輛不斷踩油門的汽車，而不是像此前科學家所預測的那樣處于減速膨脹狀態。

這樣一個完全出乎意料的觀測結果，從根本上動搖了對宇宙的傳統理解。那么到底是什么樣的力量，在促使所有的星系或者其他物質加速遠離呢？科學家們將這種與引力相反的斥力來源，稱為“暗能量”。但“暗能量”到底意味著什么？至今我們能夠給出的，只是一個十分粗略的宇宙結構“金字塔圖景”：所熟悉的世界，即由普通的原子構成的一草一木、山河星月，僅占整個宇宙的4%，相當于金字塔頂的那一塊。

下面的22%，則為暗物質。這種物質由仍然未知的粒子構成，它們不參與電磁作用，無法用肉眼看到。但其和普通物質一樣，參與引力作用，因此仍可能探測到。 作為塔基的74%，則由最為神秘的暗能量構成。它無處不在，無時不在，由于我們對其性質知之甚少，所以科學家還不清楚如何在實驗室中驗證其存在。唯一的手段，仍然是通過天文觀測這種間接手段來了解其奧秘。

前進一步

擴展的重子振蕩光譜調查（eBOSS）合作已經發布了其最新的科學成果。這些結果包括由中國科學院國家天文臺的趙功波教授和王玉婷教授分別進行的兩項暗能量研究。趙教授領導的這項研究最近發表在《皇家天文學會月刊》上。根據eBOSS的觀察結果，趙教授的團隊測量了過去宇宙中巨大空間中宇宙膨脹和結構增長的歷史，這與距我們0.7到18億光年的距離相對應。

這項研究利用了一種稱為“多示蹤分析”的方法，該方法減輕了趙教授和王教授提出并實施的觀測系統。趙教授說：“這項工作發現了暗能量的存在，其重要性為11 sigma，這是有史以來銀河系暗能量研究的最有力證據。” “ eBOSS的觀測結果與我們的團隊四年前使用BOSS調查所探測到的動態暗能量一致。”

SDSS任務在過去二十年（1998-2019年）中對宇宙的探索

數據分析是銀河系研究宇宙學意義的最大挑戰之一，尤其是開發新的方法來提高統計準確性和減輕系統性。eBOSS是第一個在廣闊的宇宙空間中觀測多種類型星系的星系調查，因此有可能使用多示蹤分析。王教授說：“相互關聯的多種星系是減少統計不確定性的有效方法，同時減輕了觀測系統的數量，這對于獲得可靠的宇宙學結果至關重要。”

黑暗能量主導著當前的宇宙，所以，以揭示其性質，它是非常重要的。eBOSS的合作由包括NAOC在內的全球30多個頂級天文學研究機構組成，旨在解決暗能量問題。自2014年開始運營以來，eBOSS已在0.6的紅移范圍內采集了超過100萬張光譜。盡管eBOSS已完成其任務，但這是下一章的起點。eBOSS的經驗對于涉及大型星系調查的宇宙學非常有價值，其中包括中國空間站望遠鏡（CSST），暗能量光譜儀（DESI）和主要焦點光譜儀（PFS）。

梵觀點：其實人類對于宇宙的了解只剛剛看到了金字塔的塔尖。