什么是暗物质?

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根据天文学理论,暗物质占宇宙的27%,它不能被天文学家现有的工具直接观测到,但是它的影响可以通过它对普通物质的引力来测量。

暗物质不发光,它不能被任何现有的天文学家工具直接观测到。然而,天体物理学家认为暗物质和暗能量构成了宇宙的大部分质量。

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自20世纪30年代以来,天体物理学家一直试图解释为什么星系中的可见物质不能解释星系的形状或它们的行为。他们相信一种黑暗或看不见的物质存在于我们的宇宙中,但他们仍然不知道这种暗物质是什么。ScienceAlert。

暗物质是一种神秘的物质,被认为大约构成了宇宙27%的成分。它不是普通的原子——形成我们的身体的基石和所有我们周围的物质,因为原子只占宇宙的5%左右,据宇宙模型称为λ冷暗物质模型(又名Lambda-CDM模型或者有时只是标准模型)。

暗物质和暗能量不是一回事,根据标准模型,暗能量占宇宙的68%。

暗物质是看不见的;它不发射、反射或吸收光或任何类型的电磁辐射,如x射线或无线电波。因此,暗物质是无法直接探测到的,因为我们对宇宙的所有观测,除了探测引力波,都涉及到用望远镜捕捉电磁辐射。

然而暗物质确实与普通物质相互作用,它对宇宙中的大型结构如星系和星系团显示出可测量的引力效应,正因为如此,天文学家能够绘制出宇宙中暗物质分布的地图,尽管他们不能直接看到它,他们通过测量暗物质通过引力对普通物质的影响来做到这一点。

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这张2013年发布的全天空图像显示了暗物质在整个宇宙历史中的分布情况,它是基于欧洲航天局的普朗克卫星收集的数据,深蓝色区域表示比周围环境密度大的区域,明亮的区域代表密度较低的区域,图像的灰色部分对应的是天空中的一小块区域,前景辐射主要来自银河系,也来自附近的星系,使宇宙学家看不清楚。ESA象。

目前有一个国际努力来确定暗物质的性质,为了解决这一问题,天文学家们设计了更加复杂和敏感的探测器来识别这种神秘物质,暗物质可能由一种尚未被确认的亚原子粒子组成,它的类型完全不同于科学家们所称的重子物质——也就是我们在周围看到的普通物质——它是由由质子和中子构成的普通原子构成的。

候选亚原子粒子的名单可以分为几个类别:wimp(弱相互作用大质量粒子),这类粒子被认为是在宇宙早期产生的,天文学家认为,弱相互作用大质量粒子相互碰撞时可能会自我湮灭,因此他们在天空中搜寻中微子或伽马射线释放等事件的蛛丝马迹,到目前为止,他们什么也没发现,此外,尽管一种被称为超对称性的理论预测了与弱相互作用大质量粒子(wimp)具有相同性质的粒子的存在,但直接寻找这些粒子的行动也一无所获,大型强子对撞机(Large Hadron Collider)的实验也完全未能发现超对称性的预期存在。

人们已经使用了几种不同类型的探测器来探测弱相互作用大质量粒子,一般的想法是,在非常偶然的情况下,弱相互作用大质量粒子可能会与一个普通的原子发生碰撞,并释放出微弱的闪光,从而被探测到,迄今为止建造的最灵敏的探测器是XENON1T,它由一个10米的圆柱体组成,内含3.2吨液态氙,周围环绕着光电钳子,用来探测和放大这些罕见的相互作用所产生的难以置信的微弱闪光,到2019年7月,探测器退役,为制造一种更灵敏的仪器——氙气探测器铺平了道路,但那时还没有观测到弱相互作用大质量粒子和氙气原子之间的碰撞。

尽管大质量弱相互作用大质量粒子长期以来一直是暗物质的最佳候选者,但它们并不是唯一的候选者。由于未能找到弱相互作用大质量粒子,以及随之而来的无法解释宇宙质量的巨大比例的挫败感,许多科学家开始寻找可能的替代物。

目前,一种被称为轴子的假想粒子正受到广泛关注。除了是暗物质的有力候选者之外,轴子的存在也被认为为物理学中其他一些长期存在的问题提供了答案,如强CP问题。

宇宙中可能有我们看不见的东西,它们不发光,这一观点有着悠久的历史,可以追溯到几百年前的牛顿时代。随着所谓的“暗星云”的发现——由星际尘埃组成的云挡住了来自背景恒星的光——以及皮埃尔·拉普拉斯在18世纪对可能吞噬光的物体(后来被称为黑洞)的推测,天文学家开始接受所谓的“暗宇宙”的存在。

但在现代,天文学家弗里茨·兹威基在20世纪30年代首次观测到了我们现在所说的暗物质,他在1933年对后发星系团的观测似乎表明,它的质量是埃德温·哈勃先前计算的质量的500倍,此外,这额外的质量似乎是完全看不见的,尽管茨威基的观测最初遭到了许多怀疑,但后来得到了其他天文学家团体的证实。

30年后,天文学家维拉·鲁宾为暗物质的存在提供了大量的证据,她发现,星系中心的旋转速度与其末端的旋转速度相同,当然,它们的旋转速度应该更快,想想唱片台上的黑胶唱片:它的中心比边缘旋转得快。这也是我们在星系中应该看到的逻辑,但我们没有。唯一的解释是,如果整个星系只是某个大得多的结构的中心,就好像它只是LP上的一个标签,导致星系从中心到边缘有一个一致的旋转速度。

维拉·鲁宾,兹威基的追随者,假设星系中缺失的结构是暗物质,她的想法遭到了天文学界的强烈反对,但她的观测结果得到了证实,今天被视为暗物质存在的关键证据。为了纪念这一重要的、具有历史意义的、旨在证明暗物质存在的探测工作,智利正在建造的革命性的大型巡天望远镜最近被重新命名为维拉C.鲁宾天文台。

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暗物质的先驱Vera Rubin(1928-2016)。这张照片摄于洛厄尔天文台,拍摄于1965年。图片由卡内基研究所/美国国家公共电台提供。

一些天文学家试图通过假设所谓的修正牛顿动力学(MOND)来否定暗物质存在的必要性,这背后的想法是,引力在长距离内的行为与它在局域内的行为是不同的,这种行为的差异解释了一些现象,比如我们认为是暗物质造成的星系旋转曲线。虽然蒙德其支持者,而它可以占一个星系旋转曲线,当前版本的蒙德无法解释物质的行为和运动在星系团等大型结构,在其目前的形式来看,被认为无法完全解释暗物质的存在。也就是说,引力在所有距离范围内的表现都是一样的,另一方面,MOND的大多数版本都有两个版本的引力,较弱的一个出现在质量浓度较低的区域,比如星系的外围,然而,未来的某个新版本的MOND可能会解释暗物质,这并不是不可想象的。

尽管一些天文学家相信,我们将在不久的将来确定暗物质的性质,但迄今为止的研究已经证明是徒劳的,我们知道,宇宙经常给我们带来惊喜,因此没有什么是理所当然的。天文学家正在采取的方法是消除那些不可能是暗物质的粒子,希望留给我们的是真正的暗物质,这种方法是否正确还有待观察。

总结:根据天文学理论,暗物质占宇宙的27%,它不能被天文学家现有的工具直接观测到,但是它的影响可以通过它对普通物质的引力来测量。

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