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暗物质是背锅侠还是救火队长?

暗物质概念提出的时间很长了,是在二战前就提出来了,只是一直不怎么被科学家普遍接受,所以没有大规模的研究,也没有足够的宣传报道。

目前为止,科学家们尚未发现除引力以外暗物质与其它正常物质发生相互作用,但科学家们相信暗物质存在的理由是星系质量似乎比组成星系的可见物质质量总和还要大,而且大很多。


一,先看看暗物质概念的历史

最早提出的是天文学家卡普坦1922年,他认为在天体之间,或者天体周围可能有不可见的物质存在。

1933年天体物理学家兹威基利用光谱红移,测量了后发座星系团中各个星系相对于星系团的运动速度,他发现星系团中星系的速度弥散度太高,仅靠星系团中可见星系的质量产生的引力是无法将其束缚在星系团内的,因此星系团中应该存在大量的暗物质,其质量为可见星系的至少百倍以上。

在1936年,史密斯对室女座星系团的观测也支持这一结论,如果没有足够的质量产生引力,星系团会分崩离析。

但是二战前,这种思想不被重视,只有少数天文学有疑问时才想起了暗物质概念,用暗物质来弥补理论上的证据链漏洞,所以有了救火队的别名。

二战后暗物质概念的地位要好了一些。

1959年,凯恩和沃特两人研究了彼此吸引的仙女座大星云和银河系的之间的相对运动,因为两个星系早晚要合并,所以研究比较重视。通过相互计算两个星系靠近的速度和彼此间的距离,推论出我们人类所处的本星系团中的暗物质比可见物质的质量约大十倍。

1970年鲁宾和福特研究仙女座大星云,利用高精度的光谱测量技术统计星体旋转速度和距离中心点的关系。按万有引力定律,如果星系的质量主要集中在星系核区的可见星体上,星系外围的星体的速度将随着距离而减小。但观测结果表明在相当大的范围内星系外围的星体的速度是恒定的。 这意味着星系中可能有大量的不可见物质并不仅仅分布在星系核心区,且其质量远大于发光星体的质量总和。

直到1980s年代,暗物质概念才普遍被接受,因为出现了一大批支持暗物质存在的新观测数据,包括观测背景星系团时的引力透镜效应,星系和星团中炽热气体的温度分布,以及宇宙微波背景辐射的各向异性等。暗物质存在这一理论已逐渐被天文学和宇宙学界广泛认可。

天文学家将观测结果绘制了暗物质的分布图


二,暗物质是什么

至此,暗物质已经不是什么臆想的东西,好像巫婆手中的梦幻水。

根据已有的观测数据综合分析,暗物质的主要成分不应该是目前已知的任何微观基本粒子。 当今的粒子物理学正在通过各种手段努力探索暗物质粒子属性。

现在物理学家猜测的答案主要有这么几种:

弱相互作用有质量粒子(WIMP),它是指质量和相互作用强度在电弱标度附近的某种稳定粒子。WIMP应该基本是电中性和色中性的,因此不直接参与电磁和强相互作用。 中微子也不参与强相互作用和电磁相互作用,但由于其在宇宙中以接近光速运动,属于“热暗物质”,不足以作为构成暗物质的主要成分。目前人类已知的粒子物理标准模型中,不存在同时满足这些性质的粒子,这意味着WIMP必须是超出标准模型的新物理粒子。已有理论预言的WIMP包括:超对称模型中最轻的超对称伴侣粒子 [14] ,如超中性子(neutralino);额外维理论中的最小 Kaluza-Klein 激发态粒子;Little Higgs模型中的T-odd粒子。

另一答案是轴子(axion),一种非常轻的中性粒子,它与强相互作用中电荷共轭-宇称反演联合对称性破缺相联系。轴子间通过极微小的力相互作用,由此它无法与背景辐射处于热平衡状态,因此不会通过热退耦获得剩余丰度,但可以通过真空态的破缺成为冷暗物质。


三,暗物质是否是我们没观察到的黑洞或星际尘埃

早期有个答案是,猜测暗物质是一些隐藏起来的常规物质星体,例如:黑洞、中子星、褐矮星、流浪行星、星际尘埃等,这些都重子粒子构成的。但证据指出这类的物质只占了其中一小部分,而其余的部分称作“非重子暗物质”。此外,星系转速曲线、引力透镜、宇宙结构形成、重子在星系团中的比例以及星系团丰度(结合独立得到的重子密度证据)等观测数据也指出宇宙中85%-90%的质量不参与电磁作用。这类“非重子暗物质”一般猜测是由一种或多种不同于常规物质(电子、质子、中子、中微子等)的基本粒子所构成。

看子弹星团事件。2014年5月,科学家们发现了最小的星系撞毁,它显示了暗物质存在的证据,同时还暗示着存在很多类似的小东西。

著名的子弹星团是两个移动速度非常快的巨大天体的合并,这非常罕见。能够测量较小星系团里暗物质的位移非常重要,因为这意味着这样我们就能够建立统计数据。


四,我们知道有很多未知,但不知道未知如此巨大,我们几乎什么都不知。

古人也知道:世界很大,地球之外是无限的天空,夜空中点点繁星就是一个个太阳。

以我们现在的宇宙知识来看,古人的这个认识实在是肤浅,对宇宙几乎什么都不懂。

其实,我们今天的知识在后人看来也是什么都不懂。

我们能看到的周围的石头、树木、咖啡杯、电脑等东西,就是物质世界的本来面目吗?人类对物质的很多认识是一点点发展的,在没认识到之前,我们不知道它的存在。因为作为动物,我们的生活空间有限,身体依赖于生物天然的结构来感受的信息也有限。

在没有发现细菌之前,大家知道动物世界有多大吗?

在没有发现超声波之前,大家觉得所有的声音我们都听得到吗?

在没有发现电磁波之前,我们知道周围空间中充满了电磁波吗?

就像大海中的鱼,它们是否知道空气是什么吗?

同样,暗物质就是这种展现在我们面前的新窗口新发现,它让我们开始重新审视物质是什么。

相比于暗物质,其实暗能量才是人类更不懂的东西。目前,我们还是知道暗物质的分布,暗物质的质量,但暗能量在哪里都不知道。暗能量概念提出的更晚,约在1990s年代末,是在研究宇宙膨胀中发现的,即宇宙膨胀不是均匀的,有加速有减速,尤其是发现近期宇宙进入加速膨胀。微波背景辐射中发现,宇宙总质量中,常规物质仅占4%,暗物质占23%,暗能量占73%。(当然这个占比也有不同数字提法,但相差基本大。

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