暗物质:冷的、热的或混合的

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暗物质:冷的、热的或混合的
 
近年来,天体物理学家们正在进行着一场充满活力的关于宇宙中暗物质温度的辩论。它之所以成为一个热点问题,是由于需要对宇宙中结构形成的各种模型做一个它们所含物质平均速度的估计。平均速度与温度有直接联系;热的物质,平均说来,比冷物质含有更多快速运动的粒子。因此热暗物质碎片将飞行得较快,并产生比之于冷暗物质铺开得较大的结构。
 
较长时期以来,包含冷暗物质(例如 WIMPs)的各种宇宙模型,是一般的结构形成景象。计算机模拟进行的这些模型,能很好地再现星系的诞生。但这些模型的主要缺点是不能模拟出正确  
的星系的大尺度分布。
 
热暗物质景象(如存在有质量的中微子)则反之,能如实地预言宇宙中常见的大尺度形式:超星系团、气泡、巨壁和空洞。但遗憾的是,它们模拟不出星系大小的天体的生成。
 
目前,大多数科学家倾向于采取折衷的办法:既有冷暗物质也有热暗物质的混合体。这种模型不仅能较好地再现所知的关于宇宙的结构,对有关其粒子组成的当前想法也符合得很好。麻省理工学院的伯特辛格曾发现一个 80%冷暗物质和 20%热暗物质(如中微子)的结合,在星系形成的计算机模拟中能工作得很有效。
 
 
中微子,在宇宙中失踪的物质诸候选者的表内被列在榜首。那时,虽然中微子被认为是没有质量或质量接近于零,其质量的精确值是不知道的,但理论工作者的计算表明,哪怕中微子有极小极小的质量,暗物质的问题便迎刃而解了。这是因为宇宙中有无数的中微子,若每个中微子都有质量,则所有中微子质量的总和将非常之大。不幸的是,一次一次的实验(除去 1980 年有一点儿可信的苏联科学家的实验结果),看来都表明中微子是没有质量的。因此,不再将中微子作为一个说得过去的暗物质的竞争者来考虑。
 
1994 年,被打败的候选者获得了一次辉煌的复辟。洛斯·阿拉莫斯实验室的由怀特(Hywel White)领导的物理小组,用满满一大桶矿物油和一连串的 1220 个光电管(光探测器)去测量衰变的中微子的质量。这些中微子是在进行变化为另一种粒子,所谓振荡过程中被捕捉住的。在它们衰变时,释放出光,其分布与中微子的质量有关。这一辐射由光电管记录下来,科学家们对所记录的数据进行分析。
 
中微子能以这样的方式变更形态的事实,说明它们像电子一样是有质量的,无质量的物体不能改变形态。相反,有质量的粒子在合适的条件下有衰变的可能性。
 
在洛斯·阿拉莫斯小组所进行的实验中,他们计算出来的中微子的质量在 0.5~5 电子伏特之间(1 电子伏特相当于一个质子的 1/10 亿质量的能量)。在每 1 立方米的空间内约有 360 亿个中微子,假设它们有质量,则它们的总质量要比所有已知星系质量的总和还要大。
 
大多数科学家现在相信,暗物质是多品种的,决不止是一种物质。以往几年中,强有力的实验证明了 MACHOs 的存在。也有一些迹象表明有质量的中微子的优势。虽然,还未探测到 WIMPs,但在星系和其他宇宙构形的演化的理论模型中,这类粒子是重要的组分。由此可见,说起暗物质,既意味着上面提到的任何一种,也可以包括所有的品种。
 
要理解在宇宙中结构形成时物质和能量所起的作用,我们必须考察这  
两者在大爆炸的早期时刻是如何分布的。幸运的是,现代射电天文学对此时期提供了一个窗口。在对布满全部空间的微波背景辐射的分析中能够见到原初宇宙的一个异常清晰的轮廓。30 多年前对此辐射的发现的确是一个偶然事件,但却使得科学能首次去研究大爆炸错综复杂的结构。  
  

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