网友提问：
科学家通过哪些方法确定暗物质存在？目前确认的暗物质形式是什么？
优质回答：
暗物质要我说，它是仅次于反物质消失之谜的第二大宇宙未解之谜，一度看似即将揭开谜底，又变的扑朔迷离，让天文学家和天体物理学家们感到前所未有的困惑。关键是这些物质完全看不见。下面就说下，我们如何通过测量发现宇宙的质量缺失，以及我们现在已经确定知道的暗物质是什么？
“暗物质”这个短语是如何闯进宇宙学的
上世纪30年代，弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）在观察密集的星系团（如下图中的后发座星系团）时，首次注意到宇宙中的质量缺失问题。
我们知道引力是如何影响星系团或者星系旋转的，所以根据星系团内星系的运动，就能计算出星系团的总质量。这是根据万有引力来确定星系的质量，我们还有另外一种办法！
根据恒星的质光比，我们就能确定恒星的质量，那么根据整个星系的光度，也能来计算出由恒星构成的星系质量，乃至星系团的质量。以上两种不同的方法都可以用来测量同一组星系团的质量。
首先有一个事实，恒星的质量一般会占一个恒星系统的绝大多数质量，例如：太阳占了太阳99.9的质量！如果恒星构成了宇宙质量绝大部分，那么通过以上测量的星系团质量这两个两个数字是匹配的，或许有一点点误差。事实证明这两个数字不但不接近，而且来自重力和星光测得质量相差50倍。
你可能会想，星系中除了恒星还有其他很多东西！对，没错！
星系中还有行星，气体，尘埃，等离子体，小行星，彗星，冰。所以“缺失质量”是不是由这些物质构成的？也是一些其他形式的质子，中子和电子。
其实我们有三种完全独立的方法，可以非常精确地测量我们的宇宙中有多少是由我们熟悉的“正常物质”构成的，也就是质子，中子和电子。
我们可以追溯到大爆炸后的最初几分钟，并计算出宇宙中有多少轻元素：氢、氦、锂及其同位素，这些轻元素是在大爆炸核聚变（BBN）期间产生的。它们的丰度只依赖于一个参数：重子数（质子和中子的总和）与光子数之比。我们测量了轻元素，得到了宇宙中质子和中子的数量。
我们可以观察宇宙微波背景（CMB）的波动模式。不同峰值的位置和高度告诉我们两件事：宇宙中有多少普通物质（质子、中子和电子），以及有多少总物质（所有具有引力质量的物质总和）。我们得到一个比例。
最后，我们可以在最大的尺度上观察宇宙。我们可以观察星系、星系团和超星系团是如何聚集在一起的，并探索宇宙的大尺度结构（LSS）。我们也得到了：普通物质的量和总物质的量。
所有这三种测量（BBN、CMB和LSS）都给出了相同的值：包括恒星在内的全部物质中，约15%是正常物质，其余约85%是不发光或不吸收光的物质。考虑到所有这些物质加起来只占宇宙总能量的30%多一点（其余的都是暗能量），我们发现用三种独立的测量方法得出来的结果是，只有不到5%的宇宙是由正常物质组成的。
那么暗物质是什么呢？没有与光（电磁波）相互作用的质量是什么？
有一种候选粒子，也是宇宙中已知的第二丰富的粒子，它是大爆炸遗留下来的：中微子！那么这么大量的中微子是咋来的？
在早期宇宙粒子-反粒子对以几乎同等的数量大量的产生，这时也生成了不起眼的中微子(和X微子)。
但是当宇宙非常年轻的时候，也就是大约在大爆炸后的一秒钟中微子就被“冻结”了，意思是宇宙的温度和密度下降到，让中微子停止与其他形式的物质和自己发生相互作用。（这和中微子的质量和反应截面有关）
如果中微子是完全无质量的，那么它们的能谱和分布就会非常类似于大爆炸后剩余的光子：宇宙微波背景辐射。
中微子背景会有一些细微的差别：中微子的温度会稍微低一些（1.96 K），能量只有光子总能量的2/3左右，而且在宇宙的每立方厘米中会有将近300个中微子。
以上是假设中微子是无质量的；如果中微子有质量，即使这个质量与其他已知粒子相比很小，但中微子的数量超过质子数量的十亿倍，将会成为宇宙的主要质量来源！
中微子有三种不同的类型，它们的丰度相同。如果中微子每一种的质量只要有3.7 eV（记住，第二轻的粒子电子，质量约为511000 eV），那么100%的暗物质都是由中微子构成的。事实上，三种中微子的质量如何分配并不重要；只要三种中微子的质量（e，μ和τ）接起来有11.2 eV，那么它们将会是所有的暗物质。
但理论是美丽的，现实很残酷！科学家有时觉得真的快解开谜底了，但是通过对宇宙微波背景的测量，我们发现这三种中微子质量之和的上限仅为0.18 eV，这意味着暗物质中最多1.6%是以中微子的形式存在的。
通过对中微子振荡的观察，我们知道中微子质量总和有一个下限：0.06 eV，这意味着至少0.55%的暗物质是以中微子的形式存在的。
当宇宙还年轻的时候，中微子移动得很快，这意味着它是热暗物质的一种形式。宇宙年轻时移动缓慢的暗物质更冷，根据暗物质是热的、暖的还是冷的，在宇宙中不同的尺度上形成不同的结构。
虽然大尺度结构告诉我们，绝大多数暗物质要么是冷的要么是热的，但我们知道有一小部分热暗物质，而这实际上就是中微子！
总结：中微子是我们目前确定的暗物质形式，可它只解决了0.5%到1.4%的问题
到目前为止，我们还很难找到其他的98.4到99.45%的暗物质，但中微子是我们所知的重子之外唯一的暗物质形式，它只是暗物质的冰山一角，是我们今天所知道和理解的唯一一点暗物质！下面再来看看宇宙中所有的物质，它是如何组成的：
大约15.5%是正常物质：由质子、中子和各种不同形式的电子组成的物质。
在所有物质中，中微子占0.5%到1.4%。中微子是宇宙中已知质量最小的非零粒子，其数量比质子、中子和电子多十亿倍。
遗憾的是，宇宙中大约83%的物质是某种“其他”形式的暗物质，它们要么是冷的要么是热的，而我们至今还没有发现它们。
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相对论与牛顿力学在数学推导过程中能混用吗？？？
牛顿力学和相对论是物理学发展进程中两个里程碑式的阶段，既有继承性，又各具特色。形成了两个理论X。通常认为，后者包含了前者，牛顿力学只是相对论力学弱场低速近似下的特例。但从应用的观点来说，相对论运用于强场高速场合，牛顿力X用于弱场低速场合，各得其所。在强场高速场合，混用牛顿力学的质量不变(dm /dt=0)的观点，理论上似不成立，也得不到实验结果的支持。除了季先生和劳伦斯教授之外，这种相对论混用牛顿力学观点的情况並不罕见。
暗物质理论是瑞士天文学家兹威基(F.Zwicky)[4]提出的，他根据的是：观测到几十个星系的质量-转速关系曲线对牛顿理论导出的维里定理的预期全都反常，星系内的所有可见物质的总质量M的引力mGM/R2，都不足以平衡星系边缘物质运动速度的离心力mV 2/R。为此需要引入比可见质量大几十倍的看不见的质量称为暗物质。
加拿大维多利亚大学F. I. Cooperstock 和 S. Tieu [5]用一个稳定的轴对称压力-X流体模型，根据广义相对论计算得到多个星系的质速关系曲线並不反常，而是符合于可见物质的密度分布，从而无需引入额外的暗物质来平衡转动离心力。
暗物质理论的要害是：本应该用相对论来计算，却在星系中各星体的总引力的计算中用了基于质量不变(dm/dt = 0)的力的线性迭加原理。质量不变和引力的线性迭加原理是牛顿力学独家专有的。在狹义相对论、广义相对论和量子场论中都是质量可变(dm/dt ≠ 0)，也不存在力的线性迭加原理。因为当第三个物体C的出现会影响原先两个物体A和B的质量，原先A和B之间的力fAB就会改变为fAB’，从而引力的线性迭加原理必然失效。
上世纪七、八十年流行的第五种力的理论，也是基于引力的线性迭加原理产生出来的。1989年作者[6]从量子场论得出质量可变的牛顿引力定律，再用引力的非线性迭加解释了有关第五种力的实验结果以及历史上观测到的其他引力异常。九十年代以后第五种力的理论渐渐地不再流行了。
又如流行的黑洞理论中，理论创始人钱德拉塞卡、兰道、奥本海默、托尔曼等人在计算“多大质量产生的引力会超过不相容原理所能提供的排斥力的极限”时，都用了牛顿力学独家专有的力的线性迭加原理。推导出黑洞存在的星体结构的完备方程组为：球对称静态理想流体的托尔曼-奥本海默-沃尔科夫恒星内部平衡方程、质量方程和状态方程三者联立[7]。其中质量方程为M(r)= ∫0r4πρr’2dr’，是将引力源中的各部分的质量直接线性相加。爱因斯坦方程的非线性导致：质点的质量会因周围存在其他质点而变小和引力不满足力的线性迭加原理或引力作用有自屏蔽效应。黑洞理论中混用了牛顿力学的力的线性迭加运算步骤，才能得出结论：不相容原理不能够阻止质量大于钱德拉塞卡极限的恒星坍缩成为体积接近于零、质量密度无限大奇性黑洞。作者考虑到引力迭加的非线性（nonlinear）[8]得出：无论多大质量的中子星的内部引力都不会超过中子气的简并压力，从而不可能坍缩成奇性黑洞。
所以，作者提出相对论与牛顿力学能混用吗？向学界请教!
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暗物质的起因
发现暗物质的起因是人类在上世纪30年代时候的一个研究。人们当时在研究银河系长啥样。在1932年荷兰天文学家杨·奥尔特通过测量到银心不同距离的恒星速度，发现了一个比较奇怪的事情：实际观测到银河系旋转曲线跟理论推测的曲线差距过大。
这条曲线告诉我们距离银心越远的天体，旋转速度就越大，而且在近距离有一个急速的增加，但是根据牛顿运动定律和开普勒定律，速度的平方与距离是成反比的。如果拿太阳系来说就是，离太阳越近的天体公转速度越快，离太阳越远的天体公转速度越慢。
如图：
根据牛顿运动定律预测的天体公转曲线
太阳系行星公转速度曲线
提出猜想
到这里问题就来了，为啥银河系不是越远的天体公转速度越慢呢？
我们的太阳系是大约240公里每秒的速度绕着银心旋转的，如果按照牛顿运动定律，太阳系不能转这么快，这会导致不稳定，导致银河系散架。到此为止我们只能猜测要么牛顿错了，其理论只能适用太阳系；要么就是我们所观察到的银河系不是全部，其周围应该有一团大的多的物质包围着。
间接证据
1933年瑞士天文学家弗里茨·兹威基通过观察后发座星系团计算了整个星系团应该有的质量，通过对比后发座星系团与太阳系的质光比，发现其存在大量看不到的质量。由此兹威基将这些看不到的物质叫做——Dark Matter也就是暗物质最早的由来。
引力透镜
根据爱因斯坦广义相对论，大质量天体会使得空间弯曲的，而光行走的是测地线，这使得光会发生偏折，就像一个透镜一样。天文学家在观察遥远星系的时候如果发现了爱因斯坦环等现象时候通过计算发现，中间的大质量天体不足以引起如此大的引力透镜现象，这间接证明了暗物质的存在。
所谓的直接证据
2006年由钱德拉X射线卫星拍摄了一张叫做子弹行星团的图。蓝色部分是通过弱引力效应模拟的，整个星系团实际的质量区域；而人们可以实际观测到的仅仅是这些星星点点的恒星或星系再加上红色部分的气体云团。人们猜测大约1亿年前两个子星系团发生了碰撞，红色部分是气体云由于摩擦力导致维持在那里了，但是蓝色部分却穿过去了。而这蓝色部分正式暗物质。这张图由此被认为是发现暗物质的直接证据。
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