第六章　宇宙的组成

我们宇宙的组成：宇宙中物质和能量的2/3是一种未知形式的暗能量，它使宇宙膨胀加速而不是变慢。另外1/3取物质形式，其主体为暗物质，我们认为它由宇宙诞生后的最早时刻遗留下来的缓慢运动基本粒子（冷暗物质）组成。所有形式的普通物质仅占总量的约5%，其中只有约1/10在恒星内，周期表中较重的元素（碳、氮、氧等）含量极微。粒子暗物质的概念得到增强，是由于近来有证据表明中微子有质量，因而在宇宙中占到了几乎和恒星一样的份额。

暗物质的大尺度分布可以通过引力透镜的观测来研究。引力透镜给了天文学家观察星系团中和某些个别星系周围暗物质分布的最佳手段。在未来十年中，用LSST和其他望远镜进行的大天区星系普查，将提供能描绘超团尺度暗物质分布的透镜数据，这一信息对了解大尺度结构的增长是至关重要的。

暗物质构成的两种主要可能性是：一是最早的创生时刻留下来的基本粒子；二是恒星质量的天体（大质量致密晕天体，即MACHOs）。这两种候选者质量相差57个量级以上，是该领域中不确定性的标志。

理论家们预言，MACHOs尽管暗得不能通过它们自己的辐射探测，却可以用引力透镜探测到：背景恒星的光当MACHOs在它前面经过时会被增强。过去十多年，有几个小组独立地探测到这一现象，由于透镜的质量同星系相比太小，故被称为微透镜。MACHOs的本性是一个难解之谜：它们是普通物质构成的恒星呢，还是陌生物质构成的天体？准确测定它们的质量会有助于解决这一问题，但到目前为止，还不可能进行确切的测量。最佳的估计是，MACHOs的典型质量比太阳小一些。通过求解被MACHOs成像的恒星的视运动，SIM将测定MACHOs的质量。研究微透镜有几个重要的副产品，包括分辨被透镜恒星的表面，应当有可能通过微透镜观测探测到地球那么小的行星。

目前还不清楚MACHOs对银河系中的暗物质有多大贡献。如果MACHOs由普通物质构成，那它们就不能说明已知存在于宇宙甚至银河系中暗物质的主体。结果，全世界若干实验室正在进行一系列努力，试图发现可以将我们银河系束缚在一起的粒子暗物质。在美国有两个重要项目正在进行：（1）致冷的暗物质搜寻者II，搜寻大约具有原子质量的称为中性伴随子的粒子；（2）轴子实验，搜寻一种称为轴子的极轻的暗物质粒子。中性伴随子的存在是超弦理论的一个预言，超弦理论是试图将引力与其他自然力统一起来的一个大胆而极有希望的尝试。若能发现将银河系束缚在一起的暗物质就是中性伴随子或轴子，那将不仅可以阐明天体物理学中的暗物质问题，而且也会为自然界中基本力和粒子的统一带来曙光。