关于暗物质的11个最大未解问题

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研究人员证实,这种神秘物质可以在整个宇宙中找到,它的含量是构成恒星和人类等普通物质的正常物质的六倍,然而尽管在整个宇宙中都能看到暗物质,但是科学家们大多仍在为之挠头,以下是关于暗物质的11个最大的未解问题。

暗物质网

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(图片来源:Shutterstock)

在1930年代,一位名叫弗里兹·扎维奇的瑞士天文学家注意到,在遥远的星系团中,星系的运行速度远远快于它们所能看到的质量。他觉得的是一种被称为暗物质的隐形物质的引力作用于这些星系。此后,研究人员证实,这种神秘物质可以在整个宇宙中找到,它的含量是构成恒星和人类等普通物质的正常物质的六倍,然而尽管在整个宇宙中都能看到暗物质,但是科学家们大多仍在为之挠头,以下是关于暗物质的11个最大的未解问题。

什么是暗物质?

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(图片来源:Shutterstock)

首先,也许最令人困惑的是,研究人员仍然不确定暗物质究竟是什么。最初,一些科学家推测宇宙中丢失的物质是由微弱的小恒星和黑洞组成的,尽管详细的观测并没有发现足够多的此类物体来解释暗物质的影响,正如美国能源部费米实验室的物理学家唐·林肯先前为《生命科学》所写的那样。目前暗物质地幔的主要竞争者是一种被称为弱相互作用质量粒子(WIMP)的假想粒子,它的行为有点像中子,只是比质子重10到100倍,林肯写道,然而,这一猜想只引出了更多的问题。

我们能探测到暗物质吗?

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(图片来源:新华社/盖蒂)

如果WIMP产生了暗物质,那么它们应该在我们周围,那为什么我们还没有找到呢?尽管它们不会与普通物质发生很大的相互作用,但暗物质粒子在穿过太空时总是有少许机会撞击质子或电子等正常粒子。因此,研究人员进行了一个又一个的实验,以研究地下深处的大量普通粒子,这些粒子被屏蔽了可以模仿暗物质-粒子碰撞的干扰辐射。经过数十年的搜索,这些探测器中没有一个取得了可信的发现,今年早些时候,中国的PandaX实验报告了最新的WIMP未检测到,暗物质粒子似乎比WIMP小得多。

暗物质是由多个粒子组成的吗?

普通物质是由日常的粒子如质子和电子组成的,还有一大堆更奇特的粒子如中微子、μ子和π。因此,一些研究人员怀疑占宇宙物质85%的暗物质是否也同样复杂。”哈佛大学的物理学家安德烈·卡茨(andrey katz)对《生活科学》的姊妹网站space.com说:“没有充分的理由假设宇宙中所有的暗物质都是由一种粒子构成的。”卡茨说,暗质子可以与暗电子结合形成暗原子,产生与可见世界中发现的一样多样和有趣的结构。尽管这些提议在物理实验室中越来越多地被想象出来,但科学家们至今还没有找到一种方法来证实或否认这些提议。

黑暗光子存在吗?

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(图片来源:Shutterstock)

除了暗物质的附加粒子,暗物质也有可能经历类似于常规物质所感受到的力。一些研究人员已经在寻找“暗光子”,这就像普通粒子之间交换的光子,产生电磁力,只是它们只能被暗物质粒子感受到意大利物理学家正准备将一束电子及其反粒子(正电子)粉碎成一颗钻石,正如之前的《生命科学》报道的那样如果暗光子确实存在,电子正电子对可以湮灭并产生一种奇怪的载力粒子,可能打开一个全新的宇宙扇区。

暗物质是由轴子构成的吗?

随着物理学家越来越不喜欢WIMP,其他暗物质粒子也开始受到青睐。领先的替代品之一是一种假设的粒子,称为轴子,其重量极轻,升至第31次方次幂的质量可能仅比质子少10倍。现在正在一些实验中寻找轴力,如Live Science先前报道的那样,最近的计算机模拟提出了这样的可能性,即这些轴可能形成星形物体,并可能产生可检测到的辐射,该辐射与被称为快速无线电爆发的神秘现象非常相似。

暗物质有什么性质?

天文学家通过暗物质与普通物质的引力相互作用发现了暗物质,这表明这是暗物质在宇宙中存在的主要方式。但是,当研究人员试图了解暗物质的真实性质时,却无法再进行了,根据一些理论,暗物质粒子应该是它们自己的反粒子,这意味着两个暗物质粒子在相遇时会相互湮灭。国际空间站上的阿尔法磁谱仪(AMS)实验自2011年以来一直在寻找这种毁灭的信号,并已经探测到数十万次事件。科学家们仍然不确定这些物质是否来自暗物质,而且这个信号至今还没有帮助他们确定到底是什么暗物质。

每个星系都存在暗物质吗?

因为暗物质比普通物质大得多,暗物质常被认为是控制星系和银河团等大型结构的控制力。奇怪的是,今年早些时候,天文学家宣布,他们发现了一个名为NGC1052-DF2的星系,似乎根本不包含任何暗物质。”耶鲁大学的Pieter van Dokkum当时对dprenvip.com说:“暗物质显然不是形成星系的必要条件。”然而,今年夏天,另一个研究小组发表了一份分析报告,指出范多库姆的研究小组错测了与银河系的距离,这意味着它的可见物质比第一次发现的要暗得多,也比先前提出的更轻,表明它的质量占比更多地在暗物质中。

DAMA / LIBRA结果如何?

长期以来,粒子物理学一直是欧洲实验DAMA / LIBRA令人困惑的结果。该探测器位于意大利格兰萨索山下的地下矿井中,一直在寻找暗物质颗粒的周期性振荡。当地球绕太阳运行时,绕过我们太阳系周围的银河暗物质流(有时称为暗物质风)时,就会产生这种振荡。自1997年以来,DAMA / LIBRA声称可以精确看到此信号,尽管没有其他实验可以看到这样的信号。

暗物质可以带电荷吗?

从一开始就发出信号,导致一些物理学家提出暗物质可能带有电荷,距大爆炸仅1.8亿年后,处于婴儿期的恒星发出了波长为21厘米的辐射,然后,它被大约在同一时间的冷氢吸收。当今年2月检测到这种辐射时,其特征表明氢比科学家预想的要冷得多,哈佛大学的天体物理学家朱利安·穆尼兹(JulianMuñoz)假设,带电荷的暗物质可能从无处不在的氢气中吸收热量,就像漂浮在柠檬水中的冰块一样,正如他当时对《生命科学》所说,但是这一猜想尚未得到证实。

普通粒子会腐烂成暗物质吗?

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(图片来源:Shutterstock)

中子与寿命有限常规物质颗粒,大约14.5分钟后,从原子中解脱出来的独立中子将衰变成质子,电子和中微子。但是,根据《 Physical Review Letters》杂志 7月份研究中引用的实验,两种不同的实验装置对此衰减的寿命略有不同,两者之间的差异约为9秒。今年早些时候,物理学家建议,如果有1%的时间,某些中子正在腐烂成暗物质粒子,则可以解释这一异常现象。来自新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室的克里斯托弗·莫里斯(Christopher Morris)和他的团队监视中子是否有暗物质但无法检测到任何信号。研究表明,他们认为其他衰变场景仅仅只是推测。

暗物质真的存在吗?

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(图片来源:NASA)

鉴于科学家在尝试检测和解释暗物质方面都面临着困难,一个合理的提问者可能会怀疑他们是否将这一切都弄错了,其实暗物质并不存在。多年来,很少有物理学家提出这样的观点,即我们的引力理论可能根本就不正确,并且基本力在大范围上的作用不同于我们的预期。这些建议通常被称为“修正的牛顿动力学”或MOND模型,它们假定没有暗物质,并且恒星和星系彼此绕转的超快速度只是引力以令人惊讶的方式表现的结果。物理学家唐·林肯(Don Lincoln)在《生命科学》的解释中写道: “暗物质仍然是一个不确定的模型”。然而,反对者尚未存在证明暗物质不存在的最新证据,这也表明暗物质可能是真实的

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