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暗物质到底是什么?

时间:2017-08-03    点击: 次    来源:网络    作者:程亦之   - 小 + 大

暗物质到底是什么?

2017-08-02 程亦之 三体引力波

有人说过:「洞察宇宙的身世,是人类智慧的骄傲。」但我想他说这话时,恐怕没把宇宙间最大一股势力考虑进去——这就是暗物质和暗能量。今天我们先说说神秘的暗物质。

暗物质,英语叫Dark matter,是相对于我们常说的可见物质、普通物质,或者叫可观测物质来说的,这种物质无法被人类直接看见或者观测到

大家知道,可见物质之所以可见,就在于微观尺度下电子与光波发生相互作用,从而被我们肉眼看到了可见光,或者被各种观测仪器捕捉到了各种电磁波。

但是暗物质恰恰相反,它根本不跟光波发生作用,对各种光作用都无动于衷,所以才导致人类既看不见,又测不到它。

科学家之所以叫它暗物质,除了玩点神秘感以外,最主要就是因为看不见、测不到它,只好叫它『暗物质』,跟一般的『明物质』相对应。至于说,跟暗黑力量、黑暗世界、黑暗料理啥的,没有任何关系。

有人问了,既然看不见、测不到,为啥科学家还能知道它存在呢?

这得从头说起——

史上著名的大人物比如开尔文、庞加莱,都曾猜想过宇宙间存在 「黑体」,也就是后来人说的暗物质。

但事实上,暗物质可不只是大科学家的猜想而已,最先靠的是强有力理论推导出来的——这个理论就是最著名的广义相对论。

早在1915年,爱因斯坦刚刚提出广义相对论的那一年,他就得出推论:宇宙物质的平均密度必须达到5×10^-30克/立方厘米,这样全宇宙才能保持稳定。后来经观测得出,宇宙物质密度远远小于这个理论值,竟整整小了100倍。

▲爱因斯坦和德西特联合发表了一篇有关宇宙存在「看不见物质」的论文。

尽管当时,爱因斯坦不可能预知到这个观测值,但他知道这个的确很重要,还跟荷兰天体物理学家威廉·德西特,共同发表一篇有关宇宙存在「看不见物质」的论文。

大师就是大师!重大事件总能跟大师扯上关系。德西特后来还被天文学界誉为「暗物质和暗能量的理论先驱」。至于爱因斯坦——「现代物理学祖师爷」这一个光环就够了。

1932年,另一位荷兰天文学家——扬·奥尔特(太阳系最外层奥尔特云就是以他命名的),提出了银河系中存在大量暗物质的设想。

▲兹威基

1933年,在加州理工上班的瑞士天文学家兹威基,在推算星系团平均质量时,发现星系质量与观测亮度相差160倍,因而推导出星系团里绝大部分物质都是看不见的。

顺便说一下,后来他的研究方向,从宇宙最暗的物质(暗物质)转到了最亮的星体(超新星)——52年间,他竟然发现了120颗超新星。看出来没?凡是跟暗物质扯上关系的,各个都是神人!

有关暗物质的存在,最有力的证据就是「星系自转问题」和「引力透镜效应」。

▲薇拉·鲁宾

1970年代,美国女天文学家薇拉·鲁宾就是最早从「星系自转问题」入手的。

我们都知道,太阳系所有行星都绕着太阳跑,距离太阳越远,公转速度越慢。根据引力理论,旋转星系也应该遵循这一规律(开普勒定律)旋转才对。

但是观测结果却大大出乎意料,处在远离星系中心的恒星,公转速度要比开普勒定律的理论值大很多,恒星速度越大,需要拉住它的引力就越大。

「星系自转问题」导向一种解释:全靠暗物质出手相助!

但问题是,这种巨大引力是从哪里来的?

这就是『星系自转问题』,结果只能导向一种解释:全靠暗物质出手相助!幕后操纵!否则,要么不是旋转星系早散架了,要么就是星系必须老老实实地遵循开普勒定律。

▲利用引力透镜效应,成为当代天文学家观测暗物质的最好方法。

证明暗物质存在的另一个强有力证据,就是「引力透镜效应」。刚才说了,既然暗物质具有引力效应,就应该造成广义相对论所预言的时空弯曲。

▲引力透镜效应示意图

当光线透过弯曲的时空,就会产生偏转,就像光线在棱镜中出现折射现象一样。这就是爱因斯坦早有预言、并在天文学界反复观测证实了的「引力透镜效应」,于是也有人管这叫『爱因斯坦望远镜』。

1980年,天文学家观测到类星体Q0957+561发出的光,就是两个一模一样的类星体,这是人类第一次观测到引力透镜效应。

从此以后,利用这种引力透镜效应,成为当代天文学家观测大尺度范围内的暗物质的最好方法。

▲这是子弹星系团合成图像,子弹星系团是两个星系团碰撞的产物,粉色部分为普通物质,蓝色部分为暗物质,利用引力透镜观测得到。

▲这个暗星系全部由纯暗物质构成。

2007年,天文学家观测到室女座星系团里的NGC4254,旁边存在着明显的引力效应,后来又经过荷兰射电天文望远镜和哈勃太空望远镜的多次观测,证实了该星系旁边存在着一个全部由纯暗物质构成的巨大存在,这个暗星系被命名为VIRGOHI 21——看不见任何一颗恒星、星体等普通物质,但存在一个巨大的引力场。

说到这儿,很容易叫人联想起《三体·死神永生》:程心和艾AA从286光年之外回望被二维化的太阳系时,关一帆那句话里有话:那片空荡荡的太空中应该存在着一个完全看不见的引力源……(此处,是不是有些细思极恐?!当然,这只是大刘的妙笔而已。)

▲MACS1206星系团,周围存在大量的暗物质。

2011年,天文学家又发现离我们45亿光年以外的MACS1206星系团,周围存在大量的暗物质,具有超强的引力,整个空间都出现了变形现象。

问题来了,神秘的暗物质是不是无处不在?我们银河系存在着暗物质吗?

▲天文学家根据哈勃太空望远镜利用弱引力透镜法测得的数据,绘制成宇宙大尺度下的暗物质分布图。

首先,暗物质并非「道」,不是无处不在的,它只是在宇宙某些地方聚集成团。至于啥分布规律?不得而知。因为从目前观测来看,暗物质既存在于星系团周围,也存在于看起来什么都没有的空间。

▲这是艺术家构想的存在于银河系外盘的巨大暗物质。

其次,银河系周围的确存在大量的暗物质。根据引力理论,靠近银河系中心的恒星,应该旋转得比边缘的恒星更快,但经过多年天文观测发现,位于银河系内部和边缘的恒星们,大体都以同样的速度绕着银河系中心旋转。

这就意味着:银河系及其外盘存在着大量暗物质,大到多少呢?据估计,这团暗物质形成了一个半径为银河系半径10倍大的巨大存在!

▲艺术家创想出来的暗物质(暗红色部分)。

经过上百年的摸索,暗物质终于从理论走到前台,从被动发现转到主动探测,上到天上卫星探测器,下到地下深处的隧道,上到中国的悟空号暗物质粒子探测卫星,下到锦屏地下实验室,再到欧洲的大型强子对撞机……科学家们穷尽各种方法,想要直接观测到全宇宙最幽暗、最神秘的物质,一探究竟,到底是个神马东东?

但结果还是知之甚少。

目前为止,能够确定的是,暗物质占整个宇宙物质成分的26.8%。暗物质的引力效应跟普通物质之间的引力一样,使得它们聚集成团,彼此向内拉。

▲当一股暗物质粒子穿过地球时,形成这种酷似头发的现象,NASA/JPL发布的暗物质示意图。

从目前观测结果看,暗物质的运动速度远远低于光速。构成暗物质的粒子应该是电中性的。有科学家称,最有可能的是——已知61种基本粒子中的3种中微子和3种反中微子。暗物质也能湮灭成粒子与反粒子……当然,这一切还在探索中。

宇宙大尺度结构是纤维状结构和宇宙长城,这中间就是宇宙空洞,而支撑空洞存在的力量就是暗物质。

至于说,探测暗物质到底有啥用?

这就像人类在18世纪探知电为何物的当初,谁都无法想象21世纪电无处不在的时代一样。

何况暗物质关乎宇宙的最初奥秘,还决定着宇宙未来的命运,甚至可能决定着太阳系的未来。

▲根据普朗克卫星的观测数据,暗物质占整个可观测宇宙质量和能量的26.8%,暗能量占68.3%,普通物质只有4.9%。


更何况,暗物质还占据着全宇宙26%的话语权,人类尚且连4.9%的物质世界都还没搞懂的情况下,竟敢越俎代庖,敢说揭开宇宙奥秘了?

所以,当我们看到史蒂芬·霍金曾经说过:「我们可能已经接近自然界的终极定律,有理由对此持谨慎乐观的态度」,我宁愿相信他是故意这样说的,有意忽略掉当今宇宙学的几大疑团,目的是为了望梅止渴,催人奋进。

毕竟,科学的本质就是永远探知未知。未知永远比已知更多。


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