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图①：“悟空”卫星在轨示意图。“悟空”卫星为暗物质直接和间接探测提供了大量线索。

中国科学院紫金山天文台供图

图②：中国500米口径球面射电望远镜（FAST）全景。2024年，FAST发现了6个距离地球约50亿光年的中性氢星系，通过探测研究中性氢，对于理解暗物质、暗能量属性，解读星系形成和演化过程等具有重要意义。

新华社记者  欧东衢摄

图③：平方公里阵列射电望远镜先导项目MeerKAT射电望远镜，与其观测到的银河系中心的巨大射电频段气泡示意图（合成照片）。

新华社发

图④：位于中国锦屏地下实验室二期的中国暗物质实验CDEX大型液氮恒温器（2020年摄）。

新华社发

宇宙中存在大量产生引力却不发光的物质，这样的物质被称作“暗物质”，其总量远远超过构成可见世界的物质。

前不久，中国科学院报告研判125个科学研究前沿，轴子暗物质探测位列其中。近年来，科学家运用人工智能、量子技术等探测暗物质，也取得了可喜的进展。

暗物质对宇宙影响深远，那是一种看不见的力量，默默推动着宇宙的演化。探测和研究暗物质，是一个拓展人类认知边界的过程，科学家不断提出新的理论和研究方法，每一次新发现都可能颠覆我们对宇宙的认识。本期“瞰前沿”关注暗物质研究，了解一下那个充满趣味和激情的暗物质世界。

——编  者

宇宙，诞生于约137亿年前的大爆炸。在诞生之初，宇宙处于高温、高密度、均匀的状态，随着宇宙的膨胀、冷却，原子得以形成，并在引力作用下聚集。大爆炸后约1亿年，第一代恒星形成，随之形成的是恒星的聚集体——星系。星系通过合并，吸积气体，逐渐成长。璀璨的星系世界就这样从无到有一步步形成。

20世纪30年代以来，一系列天文观测显示，以璀璨群星为代表的原子物质只占据宇宙物质总量的很少一部分，宇宙中存在大量产生引力却不发光的物质，这样的物质被称作“暗物质”，其总量远远超过构成可见世界的物质。

暗物质的存在对宇宙的结构演化和星系形成至关重要。在宇宙早期，暗物质聚集产生的引力提供了星系形成所需要的引力势阱。如果暗物质不存在，那么我们所处的银河系就无法形成。因此，自其存在被观测确定以来，暗物质一直是天文学最重要的研究对象之一。

暗物质和原子物质不同，它不参与电磁相互作用，不发光，也不会被光照亮。不过，科学家能够基于暗物质引力效应，测绘其在宇宙中的分布，进而探索暗物质是什么。随着新一代高精度天文观测设施投入使用，“隐形”的暗物质正在被更好地“看见”。

看不见摸不着，如何测绘暗物质

宇宙尺度的暗物质测绘主要有三类方法。

第一种方法，暗物质存在引力，这会影响天体的运动，而天体的运动可以通过光谱学方法和天体测量学方法“捕捉”。20世纪30年代，天文学家弗里兹·茨威基正是因为发现了星系团中星系的运动速度太快，需要额外的物质来提供引力束缚，进而意识到暗物质的存在。现在，对恒星、星团、星际气体云等天体的运动测量，仍然是研究银河系和近邻星系内暗物质分布的最主要手段。

第二种方法，是通过引力透镜效应进行暗物质研究，这也是应用最为广泛的暗物质测绘方法。根据广义相对论，任何物质都会有引力效应，能够使其周围的空间弯曲。遥远星系发出的光，经过弯曲的宇宙空间来到地球，观测者看到的星系形态与其本来的形态相比就是扭曲的。这类似于透过玻璃透镜观察世界会看到扭曲的景象，因此称作引力透镜效应。在大多数情况下，这种扭曲非常轻微，被称作弱引力透镜效应。天文学家通过精确测量目标天区里大量星系的形态，并进行统计分析，可以提取由暗物质带来的空间扭曲信息，进而绘制目标天区中的暗物质密度分布。此外，在背景星系、作为透镜的引力势场中心、观测者三者几乎连成一线的情况下，观测者观察到的星系图像会有更强烈的扭曲，形成爱因斯坦环、巨弧等强引力透镜现象。强引力透镜现象特别适合研究宇宙小尺度（1000光年—10万光年尺度）的暗物质分布。

第三种方法，是利用星系作为示踪物来研究暗物质在宇宙尺度的分布。所有的星系都形成在被称为“暗晕”的暗物质团块中，并随着暗晕的质量增长和相互合并演化。如果我们把星系在数千万光年空间尺度上的分布画成一张图，这张图会呈现出蛛网般的形态，被称作“宇宙网”。宇宙网实际上呈现了暗物质分布的大尺度结构。基于宇宙结构演化理论，科学家可以通过统计星系的空间分布、星系与星系之间的位置关联来研究暗物质的宇观分布。

暗物质的“真面目”是什么

暗物质是一种基本粒子吗？它的静止质量是多少？如何和其他粒子相互作用呢？这些问题，现在还没有明确的答案。