“悟空號暗物質探測器”探測到來自宇宙的“暗物質”候選粒子

宇宙中存在的“暗物質”自從被發現以來100多年卻仍未解決的難題

。自我們人類誕生以來,就一直在仰望星空,思考我們看到的一切。因為我們想要了解它,想要探索我們看到的宇宙,可是這樣的想法到了20世紀30年代卻有了驚人的發現。

以前我們認為的,我們看到的一切就是宇宙的全部,因為我們看到的已經非常的龐大了,小到細胞組織大到恆星星系,這已經讓我們知道宇宙是多麼的浩瀚,可現在才發現我們看到的一切才不到整個宇宙的5%,剩下的95%竟然是由我們無法看到的物質組成,我們仰望了幾千年的星空,看到的一切只是宇宙中區區的5%,而剩下的95%就是上世紀發現的“暗物質”以及“暗能量”。

“悟空號暗物質探測器”探測到來自宇宙的“暗物質”候選粒子

曾經就有天文學家推測“暗能量”的存在

1932年,荷蘭天體物理學家“奧爾特”注意到,銀河系中的恆星運動速度與實際觀測到的物質總量之間不吻合,觀測到的物質總質量無法維持恆星的快速運動。

1933年,天文學家“茲維基”在觀測“后髮座星系團”時,他用了兩種方法對“后髮座星系團”進行質量計算,結果發現,用可見的發光物質測算的總質量和用觀測恆星運動測算的總質量相差很大,再經過反覆計算後,“茲維基”提出用可見物質測算的總質量存在質量缺失,缺失的質量是我們無法觀測到的物質提供,也就是星系團中有我們無法觀測到的物質存在,這就是對“暗物質”的首次提出

“悟空號暗物質探測器”探測到來自宇宙的“暗物質”候選粒子

但當時科學家對“暗物質”的研究並沒有太多的興趣,主要原因也就是沒有直接的證據,還有就是無法觀測到的物質,當時知道的還真不少,像“黑矮星”、“褐矮星”以及“黑洞”這些理論都是預測到的,科學家認為不可見並不奇怪。

“悟空號暗物質探測器”探測到來自宇宙的“暗物質”候選粒子

隨著天文領域不斷髮生著新的觀測現象,結果表明這個無法觀測到的物質並不只是不可見那麼簡單

它是由未知的粒子構成,不在我們已知的62種基本粒子範疇之內,不參與電磁相互作用和強相互作用或者參與,但是非常的微弱。

就目前而言,我們瞭解到的宇宙,小到原子大到星系都是由62種基本粒子中的“費米子”組成,以及支配宇宙規律的4種基本作用力:強力、電磁力、弱力以及引力。

這就是目前我們瞭解到的宇宙全部,它可以強大到讓科學家預言出無法觀測到的“黑洞”、“黑矮星”以及解釋很多觀測到的現象天體運行軌跡、恆星怎樣燃燒,“黑洞”怎樣形成等等,這就是我們理論的強大。

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但這個“暗物質”卻不在基本粒子行列中,它是未知的例子,因此關於它會形成怎樣的物質,又會出現怎樣的現象,我們一概不知,在它面前我們成了毫無科學的原始人,這不得不讓科學家重視起來。

在上世紀60年代到70年代之間,星系旋轉曲線的觀測是越來越成熟,這類觀測反映了星系不同區域中恆星或氣體雲圍繞星系中心轉動速度理論計算與實際觀測的數值關係,觀測積累的數據已經足夠讓科學家確認,星系若想穩定的運行,它的周圍必須存在足夠多的“星系暈”,把星系包裹在其中,這就是所謂的“暗物質暈”。

“悟空號暗物質探測器”探測到來自宇宙的“暗物質”候選粒子

“悟空號暗物質探測器”探測到來自宇宙的“暗物質”候選粒子

“暗物質暈”有多少呢?

舉例說明:

就拿我們銀河系來說,銀河系中所有的恆星及氣體塵埃只佔銀河系總質量的10%,剩下了90%的質量就是“暗物質暈”,恆星這樣的可見物質就被包裹在其中。

2009年發射的“普朗克宇宙微波背景輻射探測器”探測證實,可見物佔宇宙總質量的5%,“暗物質”為25%,剩下的70%則是“暗能量”

可以看出“暗物質”的含量,足足有可見物質的5倍之多,但即便它如此之多,我們卻一直無法探測到它,因為它不與已知粒子發生電磁相互作用,我們無法直接觀測到它。

“悟空號暗物質探測器”探測到來自宇宙的“暗物質”候選粒子

圖解:這張著名的“宇宙微波背景輻射”就是由“普朗克宇宙微波背景輻射探測器”拍攝的

“悟空號暗物質探測器”探測到來自宇宙的“暗物質”候選粒子

科學家又是用什麼方法來探測“暗物質”呢?

現在探測“暗物質”的方法一般有三種:

第一種:模擬宇宙大爆炸時的情形。

利用粒子對撞機找出未知的新粒子,再來尋找“暗物質”粒子的蹤跡,只不過現在歐洲的對撞機能量太小,還不能夠撞出新料子,2020年我國計劃建造大型對撞機,就看建成之後能不能有所突破。

“悟空號暗物質探測器”探測到來自宇宙的“暗物質”候選粒子

圖解:中國要建設比歐洲更大的粒子對撞機,其建設費用不會低於200億美元(超過1400億人民幣),還不包括後期維護以及開機的費用(選址·秦皇島)

第二種:尋找“暗物質”粒子與基本粒子產生相互作用時的反應現象來進行探測。

儘管這樣的幾率很小,或許百億個“暗物質”粒子,可能幾年才會有一個會與已知粒子產生相互作用,但若足夠幸運被探測到呢。

所以這樣的探測方法必須要嚴格屏蔽其他粒子干擾,所以實驗室一般都是建在地底深處,我國四川就建有全球最深的暗物質探測設備,“中國錦屏地下實驗室”。

“悟空號暗物質探測器”探測到來自宇宙的“暗物質”候選粒子

第三:探測“暗物質”粒子可能相互湮滅後產生的高能射線。

這類的探測一般都是在地球之外的太空中進行探測,我國15年發射的“悟空號暗物質探測器”,就是來探測異常的高能射線來尋找“暗物質”粒子。

“悟空號暗物質探測器”探測到來自宇宙的“暗物質”候選粒子

圖解:“悟空號暗物質探測器”探測到的“暗物質”的候選粒子

“悟空號暗物質探測器”探測到來自宇宙的“暗物質”候選粒子

結語

雖然現在還沒有能力探測到“暗物質”粒子,但現在已經找出了很多“暗物質”的候選粒子,因為這些粒子也很奇特很神秘,像惰性中微子,弱相互大質量粒子以及神秘的軸子,科學家只能憑藉數據去逐漸排除,或許最後的候選粒子都不是,但上述的三種方法也是目前我們對“暗物質”探測的最好方法

,就看這個世紀難題要到什麼時候才能解出。

從上面的探測方法可以看出我國對宇宙中存在“暗物質”的探測是屬於世界前沿領域


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