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暗物质与不同天体质光比的关系及其意义

根据我的理论,暗物质在空间分布上有相对均匀性,于是检索查阅相关文献,发现从上世纪七十年代,科学家通过对不同天体质光比的研究,发现宇宙空间中暗物质的含量随不同天体空间尺度的增大而增大[1]。这一现象意义重大。

1.暗物质问题的来源。

20世纪30年代,科学家观测星系弥散度时,发现了“暗物质”。

2.暗物质是什么?

自从发现“暗物质”以来,人们就千方百计想搞清楚“暗物质”究竟是什么?根据产生“暗物质”效应的各种线索,人们一点点向前探索。现在已知的能产生“暗物质”效应的有两大类物质:重子物质和非重子物质。产生“暗物质”效应的重子物质有星际介质、褐矮星、中子星、黑洞等不可见或者发光很微弱的天体MACHO[2]。产生“暗物质”效应的非重子物质已知的只有质量轻微的中微子。就考虑进去现在已知的能产生“暗物质”效应的这两大类物质的总质量,仍远不够产生所有“暗物质”效应的质量,产生“暗物质”效应的主体应还有其他未知来源,一般推测为是中微子之外的没有强相互作用和电磁作用的其他非重子物质,并据此设计了不少实验加以验证,但均未取得成功。产生“暗物质”效应的主体究竟是什么?现在仍不清楚。

3.暗物质随不同天体空间尺度的增大而增加。

为了搞明白“暗物质”在宇宙空间中的分布和含量,运用的观测实验方法有四种:星系弥散度测定、质光比测定、引力透镜效应观测、微波背景辐射各向异性测定。

在太阳系及其邻近空间体系中,人们运用各种观测暗物质的手段,均观测不到暗物质效应,其质光比就是恒星的质光比,证明在这约几光年的广大宇宙空间中,不存在暗物质[3]。

当把宇宙空间扩大到直径几千光年的矮星系,几乎都能观测到“暗物质”效应,质光比要大于恒星的质光比。

当把宇宙空间进一步扩大到象银河系这样直径上万光年的星系,“暗物质”效应就更加显著,质光比要大于矮星系的质光比。

随后人们比较了不同层级不同空间尺度的天体,发现了一个普遍现象,恒星的质光比<矮星系的质光比<星系的质光比<星系团的质光比<星系群的质光比<可观测宇宙的质光比,空间尺度的增大与质光比增大有密切的对应关系[4],强烈提示暗物质含量在大空间尺度中具有相对均匀性。

在太阳系这样几光年范围内的宇宙空间中观测不到暗物质,暗物质占总质量的0%。当宇宙空间扩展到几千光年,暗物质占总质量的比例就上升到百分之几。当宇宙空间扩展到整个可观测宇宙,暗物质占总质量就上升到85%。从恒星空间到整个可观测宇宙空间,暗物质占比从0到85%之间随空间尺度的增大而增加,基本上成正比。

4.暗物质随不同天体空间尺度的增大而增大的物理意义。

在整个可观测宇宙中,暗物质含量随不同天体空间尺度的增大而增加,提示在整个可观测宇宙或者大尺度宇宙空间中,暗物质在空间的分布是相对均匀的。这一点与星系在大尺度宇宙空间分布的均匀性是类似的。但与星系在大尺度宇宙空间分布的均匀性明显不同,在星系一级的宇宙空间中,可见重子物质分布是很不均匀的,但暗物质在空间的分布还是相对均匀的,星系的平直型旋转曲线就提示出这一点,也正是暗物质在空间分布的相对均匀性,星系才能形成平直型旋转曲线的特征。

可见,在星系一级及以上级别的宇宙结构中,暗物质在空间分布上就具有均匀性的特点,暗物质在空间分布的均匀性要大于可见物质在空间分布的均匀性。

就我们身处的银河系来说,星系旋转曲线呈平直型,星系质量随半径呈线性增加,星系密度随半径约呈线性减少[5],提示银河系暗物质在空间的分布大致是均匀的,只是靠近核球中心物质密度渐趋升高。

暗物质含量随不同天体空间尺度增大而增加的物理意义就在于提示暗物质在宇宙空间分布的相对均匀性。

5.与观测的冲突。

宇宙空间中暗物质的均匀分布性,似乎提示所有宇宙空间中都应该存在差不多的暗物质,暗物质似乎无处不在,均匀分布在宇宙空间之中。

但是,除极少双星及多星系统之外,在太阳系一级的恒星系统中,却观测不到暗物质的踪影,提示恒星系统中没有暗物质。由恒星和其他成分共同构成的银河系一级的星系中,却含有大量暗物质,合理的推测是星系暗物质存在于除可见的恒星系统之外的其他空间之中,如果又要满足在星系范围内均匀分布的要求,那么暗物质就不可能均匀弥漫分布在整个星系空间,只能呈质点状分布在恒星系统之外的星系空间中,且质点状暗物质就整个星系空间来说,分布是相对均匀的。且每个质点所占空间不大,直径约只有几千米,却集中了恒星级的质量,相对于整个星系空间来说,就是一个小点。

6.新思路。

暗物质呈质点状相对均匀分布在星系中,说明暗物质在恒星一级的空间中能演化出质点性结构,而又有一种机制阻止它们在恒星级以上的质量进一步合并增大,形成成团的不均匀分布。在我们现在的视野中,恒星级黑洞的大小非常符合暗物质的质点性要求。当然,现在观测到的恒星级黑洞的总质量还远达不到产生暗物质效应的质量,空间分布也非常不均匀[2],这很可能是观测手段不完善造成的。

现在人们只观测到两类黑洞,一类是星系中广泛分布的恒星级黑洞,另一类是星系中心的比恒星级黑洞大上百万倍的超大质量黑洞,而没有观测到中间过渡类型的中型黑洞。恒星级黑洞的合并和超大质量黑洞的合并事件我们都观测到过,在理论上没有理由不形成中型黑洞,如果中型黑洞存在,在理论上我们不可能观测不到它,那为什么我们到现在都没有发现中型黑洞呢?

合理的推测就是有某种机制,阻止中型黑洞的形成,恒星级黑洞的演化有某种循环机制,使恒星级黑洞反复循环演化,长时间把大量物质的演化进程困死在了恒星级黑洞这一状态,在一定的宇宙时空中,一定的天体系统中,恒星级黑洞就形成了大致均匀分布的质点。现在观测恒星级黑洞主要应用微引力透镜的方法,观测较难,完善和加强观测,说不定就能解开暗物质之迷。

从这个思路出发,我们就能更好理解星系的结构和运行。星系中心的超大质量黑洞虽然只占星系总质量的约十万分之一,但比起星系中的其他天体,仍要大上万倍,所以能成为星系质心。相对均匀分布的质点状恒星级黑洞,为星系质量提供主要来源,又危及不到超大质量黑洞成为星系质心的地位,并使得星系旋转呈平直性曲线特征,才使得我们观察到了“暗物质”效应。也使得天体的质光比随天体空间尺度的增大而增大。

7.不存在中微子之外的非重子暗物质。

如果暗物质主体以黑洞形式存在,暗物质就是普通重子物质的一种特殊存在形式,微观上就是普通物质的一种特殊态,宏观上表现为暗物质效应,所以根本就不存在中微子之外的非重子暗物质,探测中微子之外的非重子暗物质粒子的所有实验均未取得成功就好理解了。

8.质量是什么鬼。

暗物质占宇宙总质量约85%,宇宙中,可见物质只占约15%。我们知道,原子的质量主要都集中在原子核中,原子核由夸克组成,但组成原子核的所有夸克的总质量却只有原子核质量的约15%,其他约85%哪里去了?我们不太清楚,抽象归结为结合能,结合能是怎样变成质量的,不清楚。

宇宙中可见物质之外多出来的85%质量,与原子核中消失的85%质量,就没有内在的联系吗?一定有,这就要求我们搞清楚质量究竟是什么?我下一篇文章题目就叫“质量是什么鬼”,从分析质量的本质,去探索黑洞的微观结构,抽丝剥茧的厘清暗物质问题。

参考文献:

[1]OSTRIKER,j.p,peebles,p.J.E.and Yahil,A.,Ap.J.Let.193(1974),65

[2]富坚, 杨晓峰, 闫震. 利用微引力透镜效应搜寻银河系内的重子暗物质[J]. 中国科学院上海天文台年刊, 2007(00):66-79.

[3]赵敬之. 太阳系附近未发现暗物质迹象[J]. 科学, 2012(03):55-55.

[4]钟泽昊, 赵刚. 不同层次天体的质光比研究进展[J]. 天文学进展, 2018, 036(002):81-100.

[5]斯德.,买, 韩锋. 探寻银晕暗物质的一个可能方案[J]. 陕西师范大学学报(自然科学版), 1999, 27(3):60-64.

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