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它可以左右宇宙的命运,天文学家要如何寻找宇宙“神秘”的答案

2020.02.21

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宇宙中的“三种物质”

宇宙结构其实可以大致概括为三种物质,它们分别是正常物质,暗物质和暗能量。正常物质也被叫做重子物质,恒星,行星,人类和宇宙中所有其他可观测天体其实都是重子物质。宇宙浩渺无垠,巨大无比的星系,距离我们数亿光年的星云,这些可见的物质其实只占宇宙的最小比例……

天文学家观察宇宙的时间越长,他们的疑问就越大,也就越需要探寻更多的理论和数据来解释这一切。这些奇怪的“物质”不是正常原子构成,也和万有引力完全相悖,它们相对于我们来说似乎是隐形的,看不见也摸不着,似乎没有质量,不反射任何光芒。但是它们却无形的影响着宇宙……这就是暗物质与暗能量的独特性质。

宇宙网结构是宇宙中最大的结构,无限蔓延的宇宙网结构组成了可观测的正常物质

从质疑到探索,天文学家的求真之路

在1990年代初期,宇宙正在膨胀是天文学家的共识。当时,天文学家认为宇宙内部具有足够的能量密度来阻止其膨胀和塌缩,随着时间的流逝,重力必定会减缓膨胀。不过很奇怪,天文学家没有观察到宇宙膨胀有减速的情况,但是从理论上讲,宇宙膨胀的速度是一定会减缓的。

1998年,哈勃太空望远镜对非常遥远的超新星进行观测,观测后表明,很久以前,宇宙的膨胀速度实际上比现在慢。因此,宇宙的膨胀并没有因为引力而减慢,反而一直在加速。当时没有人预料到这一点,也没有人知道如何解释它。

哈勃太空望远镜,升空以来提供了许多科学数据,未来将由詹姆斯韦伯太空望远镜集成

对于我们的宇宙,未知的比已知的多太多了。整个宇宙当中,大约68%的宇宙是暗能量,暗物质约占27%。其余的东西,包括地球上的一切,用我们所有仪器观测到的一切,所有正常物质总计不到宇宙的5%。暗物质几乎不与正常物质产生反应,而暗能量几乎遍布宇宙,主宰着宇宙未来的命运。

寻找暗能量,一种可以左右宇宙命运的神秘力量

关于暗能量的一种解释是,它是空间的一种性质。爱因斯坦是第一个认识到宇宙的空白并不是真正“空白”的人。太空具有惊人的特性,其中许多才刚刚被人们理解。宇宙中看起来空的地方拥有自己的能量,此能量是空间本身的属性,不会随着空间扩展而被稀释。随着更多空间的出现,更多的空间能量也会出现,所以暗能量会导致宇宙膨胀的越来越快。

宇宙中的结构占比,暗能量大约占比70%,而暗物质大约占比26%,正常物质占比有5%

正常物质和暗物质会产生引力,使物体聚集在一起。而暗能量与重力完全相反。它导致天体结构被推开,渐行渐远。要了解暗能量,请考虑将球抛向空中时会发生什么。由于重力的作用,它上升并逐渐减慢。最终,球停在半空中,然后掉回地面。现在想象一下,一旦球扔起来,它就会不断地飞起来,越来越快,而不是回到地面。这种情况在地球上不可能发生,但这其实就是暗能量的属性,也可以理解为反引力。

暗能量的另一种解释是,它是一种新型的动能流体或场,它充满了整个空间,但对宇宙膨胀的影响却与正常物质相反。正常物质在宇宙膨胀中的作用类似于马的缰绳,及时悬崖勒马,宇宙才能有光明的未来,最终才不会有“撕裂”的结局。但是,正如大家看到的,重子物质在宇宙中几乎不起作用……

宇宙可视化图像,由于暗能量,宇宙中的星系正在不断远离,宇宙膨胀的速度也越来越快(前提为宇宙形状为球形,宇宙形状目前还没有具体定论)

那么宇宙空间如何获取暗能量呢?或者说暗能量的来源在哪里呢?一种解释来自物质的量子理论,如果按照这种理论,空白的空间实际上充满了不断形成然后消失的临时“虚拟”粒子,而这些虚拟粒子之间可以相互作用形成巨大的能量场影响宇宙。还有天文学家认为暗能量与暗物质既然是构成宇宙的两大结构,它们相结合可以完全左右宇宙的命运,或者说它们之间会有什么奇怪的特性……

目前天文学家已经了解了暗能量是如何通过加速改变宇宙整体膨胀率的,其次,天文学家也观察到暗能量是如何影响星团和超级星团扩张的。在宇宙过去的70亿年里,天文学家已经确定这两种效应的过程,这是迄今为止最遥远的观测统计。

第三次斯隆宇宙调查SDSS-III调查了部分宇宙结构,这是一种重子物质振荡光谱调查,这类调查可以让科学家们了解宇宙中重子物质的距离尺度

寻找暗物质,逐渐了解暗物质是宇宙学研究的重点

虽然天文学家不知道暗能量与暗物质的性质,但是天文学家们可以证明暗物质与暗能量的存在,如何证明暗物质与暗能量的存在,是当今宇宙学研究的重点。

暗物质与正常物质不同,也不会与正常物质发生反应,暗物质也不会与电磁力相互作用。这意味着它不会吸收,反射或发射光,因此很难发现。现在天文学家可以从暗物质对可见物质的引力作用中推断出暗物质的存在。

这两张伪彩色图像比较了宇宙中正常物质(红色,左侧)和暗物质(蓝色,右侧)的分布,该图结构的亮度对应于物质的密度。该地图覆盖的天空面积是满月角直径的9倍,是有史以来获得的最大暗物质分布样本照片。

质量与引力的不对等

其实通过观察星系团中的重力也可以发现暗物质,瑞士天文学家Fritz Zwicky试图通过对星系团中每个可见星系的质量求和来测量其总质量。结果他发现它们的总质量不足以产生可探测到的引力,也就是说质量与产生的引力完全不成比例……

星系团(例如Abell 370)中的引力透镜现象正在帮助科学家测量暗物质的分布。

所以仅凭可见物质产生的引力是不足以让星系们聚集在一起的。因此,Zwicky得出结论,在星系内部和周围一定存在某种不可见的东西。这个物质增加了额外的质量以产生重力,重力制造的引力足以形成星系团。Zwicky称这种看不见的物质为暗物质。

现在出现了更多有关暗物质存在的证据。星系的照片显示,它们的大部分光线,也就是说星系的大部分恒星都聚集在星系中心附近。因此,银河系的大部分质量都集中在其中心,这意味着银河系中心的重力要强于银河系的外围区域。所以天文学家预计银河中心附近的恒星将比远处的恒星移动得更快。但是,测量结果表明,无论它们距中心的距离如何,恒星的轨道速度在各处都是相同的。

左边是费米太空望远镜在银河中心探测到的1至3.16 GeV能量之间的伽马射线图。红色代表伽马射线暴的最大数字。移除所有已知的伽马射线源(右)会发现暗物质湮灭可能会导致暗物质过量喷射。

这又是一个奇怪的地方,所以天文学家结论是一定有一个遍布整个银河系的不可见的物质,这样远离中心的恒星不仅会感受到中心物质的引力,而且还会感受到其他物质的引力。

引力透镜

暗物质是否存在也可以通过引力透镜现象来证明,当用望远镜观察遥远的星系时,尽管没有观测到任何可见物质,但是天文学家仍观察到了来自遥远源头的奇怪的环和光弧。

银河系中心的伽马射线明亮爆发可能是暗物质活跃的结果。多年来,物理学家已经知道银河系中心能量以伽马射线的形式存在着,伽马射线是电磁频谱中最活跃的波。

爱因斯坦发现重力与空间曲率相同,这导致光沿该曲率传播,而不是沿直线传播,所以遇到一些重量的物质,光会被弯曲。因此,引力或者重力形成的区域可以充当一个重力透镜,也被称为引力透镜。这表明存在不可见质量,该质量正在产生重力扭曲光线。

椭圆星系团的引力是如此之强,以至于它们影响到了其后星系的光线。引力透镜效应可以极大地改善观察效果,因为重力会使光的路径向哈勃方向弯曲,这样可以使天文学家间接观察暗物质对天体结构的影响

另外,现在天文学家建议可以通过从根本上修改引力理论来解释暗物质的影响。这个想法提出,在宇宙的范围内,引力的作用与地球不同。

暗物质与暗能量,也许是宇宙的另一个考验

暗物质与暗能量是当今宇宙学的一大迷题,如果人类想要真正了解宇宙如何运作,如何演化,最终如何灭亡,就必须了解暗物质与暗能量。现代天文学家足智多谋,他们一直在尝试多种办法观测或者间接观测暗物质与暗能量。

宇宙观测,它们都是人类观测宇宙的眼睛,包括地面站和太空望远镜等等

就像刚刚发现黑洞一样,刚发现黑洞的时候人们也不知道怎么观测……但是之后天文学家通过周围恒星的非正常运动轨迹发现了如何观测黑洞,现在的天文学家通过黑洞史瓦西半径周围吸积盘结构可以确定黑洞的多个特性,比如自旋,种类,黑洞的视界直径等等。

面对暗物质与暗能量,我们也可以采取这种间接观测的方式推测暗物质与暗能量的性质,从而不断加深了解。也许,这是宇宙给人类的又一个惊喜与考验,就是想看看处在文明初期的我们能否洞察宇宙的奥秘……

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