暗物質是背鍋俠還是救火隊長?

羅哥德

暗物質概念提出的時間很長了,是在二戰前就提出來了,只是一直不怎麼被科學家普遍接受,所以沒有大規模的研究,也沒有足夠的宣傳報道。

目前為止,科學家們尚未發現除引力以外暗物質與其它正常物質發生相互作用,但科學家們相信暗物質存在的理由是星系質量似乎比組成星系的可見物質質量總和還要大,而且大很多。


一,先看看暗物質概念的歷史

最早提出的是天文學家卡普坦1922年,他認為在天體之間,或者天體周圍可能有不可見的物質存在。

1933年天體物理學家茲威基利用光譜紅移,測量了后髮座星系團中各個星系相對於星系團的運動速度,他發現星系團中星系的速度彌散度太高,僅靠星系團中可見星系的質量產生的引力是無法將其束縛在星系團內的,因此星系團中應該存在大量的暗物質,其質量為可見星系的至少百倍以上。

在1936年,史密斯對室女座星系團的觀測也支持這一結論,如果沒有足夠的質量產生引力,星系團會分崩離析。

但是二戰前,這種思想不被重視,只有少數天文學有疑問時才想起了暗物質概念,用暗物質來彌補理論上的證據鏈漏洞,所以有了救火隊的別名。

二戰後暗物質概念的地位要好了一些。

1959年,凱恩和沃特兩人研究了彼此吸引的仙女座大星雲和銀河系的之間的相對運動,因為兩個星系早晚要合併,所以研究比較重視。通過相互計算兩個星系靠近的速度和彼此間的距離,推論出我們人類所處的本星系團中的暗物質比可見物質的質量約大十倍。

1970年魯賓和福特研究仙女座大星雲,利用高精度的光譜測量技術統計星體旋轉速度和距離中心點的關係。按萬有引力定律,如果星系的質量主要集中在星系核區的可見星體上,星系外圍的星體的速度將隨著距離而減小。但觀測結果表明在相當大的範圍內星系外圍的星體的速度是恆定的。 這意味著星系中可能有大量的不可見物質並不僅僅分佈在星系核心區,且其質量遠大於發光星體的質量總和。

直到1980s年代,暗物質概念才普遍被接受,因為出現了一大批支持暗物質存在的新觀測數據,包括觀測背景星系團時的引力透鏡效應,星系和星團中熾熱氣體的溫度分佈,以及宇宙微波背景輻射的各向異性等。暗物質存在這一理論已逐漸被天文學和宇宙學界廣泛認可。

天文學家將觀測結果繪製了暗物質的分佈圖


二,暗物質是什麼

至此,暗物質已經不是什麼臆想的東西,好像巫婆手中的夢幻水。

根據已有的觀測數據綜合分析,暗物質的主要成分不應該是目前已知的任何微觀基本粒子。 當今的粒子物理學正在通過各種手段努力探索暗物質粒子屬性。

現在物理學家猜測的答案主要有這麼幾種:

弱相互作用有質量粒子(WIMP),它是指質量和相互作用強度在電弱標度附近的某種穩定粒子。WIMP應該基本是電中性和色中性的,因此不直接參與電磁和強相互作用。 中微子也不參與強相互作用和電磁相互作用,但由於其在宇宙中以接近光速運動,屬於“熱暗物質”,不足以作為構成暗物質的主要成分。目前人類已知的粒子物理標準模型中,不存在同時滿足這些性質的粒子,這意味著WIMP必須是超出標準模型的新物理粒子。已有理論預言的WIMP包括:超對稱模型中最輕的超對稱伴侶粒子 [14] ,如超中性子(neutralino);額外維理論中的最小 Kaluza-Klein 激發態粒子;Little Higgs模型中的T-odd粒子。

另一答案是軸子(axion),一種非常輕的中性粒子,它與強相互作用中電荷共軛-宇稱反演聯合對稱性破缺相聯繫。軸子間通過極微小的力相互作用,由此它無法與背景輻射處於熱平衡狀態,因此不會通過熱退耦獲得剩餘丰度,但可以通過真空態的破缺成為冷暗物質。


三,暗物質是否是我們沒觀察到的黑洞或星際塵埃

早期有個答案是,猜測暗物質是一些隱藏起來的常規物質星體,例如:黑洞、中子星、褐矮星、流浪行星、星際塵埃等,這些都重子粒子構成的。但證據指出這類的物質只佔了其中一小部分,而其餘的部分稱作“非重子暗物質”。此外,星系轉速曲線、引力透鏡、宇宙結構形成、重子在星系團中的比例以及星系團丰度(結合獨立得到的重子密度證據)等觀測數據也指出宇宙中85%-90%的質量不參與電磁作用。這類“非重子暗物質”一般猜測是由一種或多種不同於常規物質(電子、質子、中子、中微子等)的基本粒子所構成。

看子彈星團事件。2014年5月,科學家們發現了最小的星系撞毀,它顯示了暗物質存在的證據,同時還暗示著存在很多類似的小東西。

著名的子彈星團是兩個移動速度非常快的巨大天體的合併,這非常罕見。能夠測量較小星系團裡暗物質的位移非常重要,因為這意味著這樣我們就能夠建立統計數據。


四,我們知道有很多未知,但不知道未知如此巨大,我們幾乎什麼都不知。

古人也知道:世界很大,地球之外是無限的天空,夜空中點點繁星就是一個個太陽。

以我們現在的宇宙知識來看,古人的這個認識實在是膚淺,對宇宙幾乎什麼都不懂。

其實,我們今天的知識在後人看來也是什麼都不懂。

我們能看到的周圍的石頭、樹木、咖啡杯、電腦等東西,就是物質世界的本來面目嗎?人類對物質的很多認識是一點點發展的,在沒認識到之前,我們不知道它的存在。因為作為動物,我們的生活空間有限,身體依賴於生物天然的結構來感受的信息也有限。

在沒有發現細菌之前,大家知道動物世界有多大嗎?

在沒有發現超聲波之前,大家覺得所有的聲音我們都聽得到嗎?

在沒有發現電磁波之前,我們知道周圍空間中充滿了電磁波嗎?

就像大海中的魚,它們是否知道空氣是什麼嗎?

同樣,暗物質就是這種展現在我們面前的新窗口新發現,它讓我們開始重新審視物質是什麼。

相比於暗物質,其實暗能量才是人類更不懂的東西。目前,我們還是知道暗物質的分佈,暗物質的質量,但暗能量在哪裡都不知道。暗能量概念提出的更晚,約在1990s年代末,是在研究宇宙膨脹中發現的,即宇宙膨脹不是均勻的,有加速有減速,尤其是發現近期宇宙進入加速膨脹。微波背景輻射中發現,宇宙總質量中,常規物質僅佔4%,暗物質佔23%,暗能量佔73%。(當然這個佔比也有不同數字提法,但相差基本大。


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