宇宙中的超星系複合體、巨型類星體群、以及空洞等龐然大物到底是怎麼形成的呢？我們知道宇宙中的普通物質其實只佔宇宙總物質達不到5%。除了導致宇宙加速膨脹的暗能量外，其餘的佔比將近三分之一都是暗物質。那這些大尺度結構的形成是不是又和暗物質有關呢？沒錯，現代研究表明，宇宙中這些大尺度結構的形成關鍵就依賴於暗物質。因為是科學，所以才要把暗物質引入。為什麼這麼說呢？這就得從暗物質是怎麼一步步被當今科學界所接受說起了。歡迎來到濤濤隨記，精彩分享馬上開始。
其實，早在上世紀三十年代，天文學家們通過銀河系恆星的運動以及對后髮座星系團的研究都推斷出了他們的內部應該存在著大量看不見的物質，但當時還不叫暗物質，只是叫丟失了的質量。然後到了上世紀八十年代，天文學家在研究星系轉速時發現星系外側的旋轉速度要比牛頓力學計算出來結果要快，我們銀河系以及大量觀測到的河外星系都存在這種現象，就是以目前外圍物質的轉速，這些物質應該會因為過大的離心力而脫離星系，也就是轉散架了。所以呢，推測在星系外側存在大量的不可見物質，將整個星系包裹了起來，以使外圍物質受力平衡，不至於散架。這個星系自轉曲線問題使得人們開始懷疑暗物質可能真的存在，但是懷疑終歸是懷疑還是得拿證據說話。目前最有力的天文學證據就是子彈星系團。這個子彈星系團其實是兩個星系團發生了碰撞後的樣子。我們可以看到其中一個星系團正直穿過了另一個星期團。這次的碰撞之猛使得兩個星系團的暗物質與普通物質發生了錯位。
圖中亮的部分就是普通物質聚集的地方。白色和黃色部分密度最大，紅色的次之，藍色部分密度最小，這是通過X射線看到的情況。但是通過引力透鏡效應看到的質量分布卻不是這個樣子，而是圖中類似等高線的綠色圈圈這樣的分布。星系團的兩側那兩個小圈才是兩個星系團的質量中心。這說明什麼呢？這說明當兩個星系團發生碰撞時，正常物質由於在引力之外還存在著其他相互作用的摩擦，從而導致兩者存在一定的粘連。而暗物質呢，由於他不參與電磁相互作用，所以可以順暢地穿過去。如果說之前的星系自轉曲線問題，還可以通過修正牛頓動力學來解釋的話，那這種星系團的碰撞現象就基本把他排除了。所以這種現象成了目前暗物質存在的最有力證據。
至此暗物質的存在基本上已經是板上釘釘了，包括他的一些特性，我們也了解了，像是不會參與電磁作用什麼的，唯獨不清楚的只是說我們還不清楚他到底是什麼。如果他也是由粒子構成的，那麼構成它的粒子肯定不是在現在的標準粒子模型裡。雖然現在已經有了包括中微子、軸子之類很多候選粒子，但是目前這一領域還需要進一步探索。介紹完了暗物質是如何一步步被科學界所接受的。現在再來看為什麼要用暗物質來解釋宇宙中這些大尺度結構。
其實隨著暗物質理論的不斷完善，暗物質不僅可以解釋宇宙結構，反過來他對暗物質理論本身同時也是一種驗證，說道宇宙結構，需要先介紹下宇宙演化的三個重要時期。根據大爆炸理論，宇宙早期由於剛經歷大爆炸，此時空間中充斥著大量的輻射，輻射密度要高於物質密度，也就是處於輻射主導階段，也叫輻射期。然後隨著空間膨脹，由於輻射密度下降的要比物質密度快，過了一個臨界點後，此時輻射密度開始低於物質密度，宇宙開始進入了物質期，之後又過了很長時間，原子開始逐漸形成，這個時期被稱為退耦。
由於暗能量的密度自始至終幾乎是不變的，所以隨著空間進一步膨脹，物質密度會逐漸低於暗能量的密度。此時宇宙正式進入了由暗能量主導的暗能量期。關於大爆炸的內容，後面我專門來分享，大家記得關注我就可以了。現在先知道這三個時期就行了。如果正常物質在退耦之前也就是形成原子之前就開始聚集。那麼根據理論計算，他之後的密度不均勻性會非常大。由於正常物質和背景輻射，兩者有著很大的耦合度，物質的密度高的地方要比密度低的地方相對較熱，所以如果密度分布波動很大的話，肯定會在微波背景上留下明顯的痕跡。但是今天我們看到的卻不是這樣，而是非常非常均勻的溫度分布。實際上在退耦之前，強烈的背景輻射會阻止正常物質相互聚集，物質相當於一直是被束縛著的。隨著輻射密度逐漸下降，這些正常物質才開始慢慢獲得自由，所以可以斷定正常物質應該不是在退耦之前聚集起來的。
那如果是在退耦之後才開始聚集地呢？這也有問題，因為空間一直在膨脹，而正常物質的密度相對來說本來就很小，想聚集起來很困難。如果是退耦之後才開始聚集的話，那麼這些物質聚集所需要花費的時間將會非常漫長，甚至於直到今天都不會誕生任何星系，更別說那些大尺度結構了。如果沒有暗物質理論，這就是我們遇到的現實問題，解釋不了現在看到的宇宙萬物。但是假如把前面之前發現的暗物質理論引入進來的話，你會發現剛才的問題都迎刃而解。
由於暗物質不與正常物質以及輻射發生任何電磁作用，所以它可以不受高密度輻射的束縛，早早的就依靠自身的引力開始聚集。可能在退耦之前甚至是宇宙剛進入物質期時，暗物質就已經開始聚集。到了退耦之後，這些暗物質的密度不均勻性就已經非常大了。可以說此時的暗物質已經決定了宇宙中質量的整體分布，今天看到的大尺度結構的骨架已基本成型，隨後那些正常物質又被暗物質的引力吸引了過去，從而形成了現在的星系和星系團，最終附著在骨架上的這些星系和星系團構成了今天我們看到的大尺度結構，把暗物質比作骨架可能還不太合適，應該說框架好一點。因為星系和星系團這種正常物質其實不能說是附著在上面。暗物質其實是把正常物質包裹了起來，就像之前說過的星系外圍的暗物質暈，所以應該說正常物質是填充到了暗物質的框架裡，這樣可能更準確一些。
現在知道為什麼說宇宙中這些大尺度結構的形成關鍵依賴於暗物質了吧。雖然這個暗物質的理論不能證明一定就是對的，但是從目前來看，這套理論和我們實際觀測到的現象，無論是整體上還是在細節方面都符合的非常好。科學就是這樣，在沒有更好的理論出來之前，哪個理論最能解決實際問題且代價最小，那它就是好的理論。
好了文章到此結束，關於文章你有什麼想說的呢？歡迎下方留言交流。我是濤濤隨記，歡迎你的關注，我們下次見。