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什么是宇宙界内的复杂分子5

当意识到没有足够的物质能来解释宇宙的结构及其特性时,暗能量出现了。暗能量和暗物质的唯一共同点是它们既不发光也不吸收光。从微观上讲,它们的组成是完全不同的。更重要的是,像普通的物质一样,暗物质是引力自吸引的,而且与普通物质成团并形成星系。而暗能量是引力自相斥的,并且在宇宙中几乎均匀的分布。所以,在统计星系的能量时会遗漏暗能量。因此,暗能量可以解释观测到的物质密度和由暴涨理论预言的临界密度之间70-80%的差异。之后,两个独立的天文学家小组通过对超新星的观测发现,宇宙正在加速膨胀。由此,暗能量占主导的宇宙模型成为了一个和谐的宇宙模型。最近威尔金森宇宙微波背景辐射各向异性探测器(Wilkinson Microwave Anisotrope ProbeWMAP)的观测也独立的证实了暗能量的存在,并且使它成为了标准模型的一部分。

暗能量同时也改变了我们对暗物质在宇宙中所起作用的认识。按照爱因斯坦的广义相对论,在一个仅含有物质的宇宙中,物质密度决定了宇宙的几何,以及宇宙的过去和未来。加上暗能量的话,情况就完全不同了。首先,总能量密度(物质能量密度与暗能量密度之和)决定着宇宙的几何特性。其次,宇宙已经从物质占主导的时期过渡到了暗能量占主导的时期。大约在“大爆炸”之后的几十亿年中暗物质占了总能量密度的主导地位,但是这已成为了过去。现在我们宇宙的未来将由暗能量的特性所决定,它目前正时宇宙加速膨胀,而且除非暗能量会随时间衰减或者改变状态,否则这种加速膨胀态势将持续下去。    

11、暗物质的踪迹

暗物质是相对可见物质来说的。所谓可见物质,除发射可见光的物质外,还包括辐射红外线等其他电磁波的物质。虽然宇宙中的可见物质大部分不能用肉眼直接看到,但探测它们发出的各种电磁波就可以知道它们的存在。暗物质不辐射电磁波,但有质量。

科学家为什么会提出“暗物质”这个概念?宇宙中有没有暗物质?      在物理学中,把状态变化的“转折点”成为“临界点”,比如水变成冰,温度临界值(或者说“临界点”)为0℃。宇宙学的研究认为,宇宙中物质的平均密度,与决定宇宙是膨胀还是收缩的临界值,相差不会超过百万分之一。可是,宇宙中发可见光的恒星和星系的物质总量不到临界值的1%,加上辐射其他电磁波的天体,如行星、白矮星和黑洞等,最多也只有临界值的10%。    现已知道,宇宙的大结构呈泡沫状,星系聚集成“星系长城”,即泡沫的连接纤维,而纤维之间是巨大的“宇宙空洞”,即大泡泡,直径达1~3亿光年。如果没有一种看不见的暗物质的附加引力“帮忙”,这么大的空洞是不能维持的,就像屋顶和桥梁的跨度过大不能支持一样。    我们的宇宙尽管在膨胀,但高速运动中的个星系并不散开,如果仅有可见物质,它们的引力是不足以把各星系维持在一起的。

我们知道,太阳系的质量,99.86%集中在太阳系的中心即太阳上,因此,离太阳近的行星受到太阳的引力,比离太阳远的行星大,因此,离太阳近的行星绕太阳运行的速度,比离太阳远的行星快,以便产生更大的离心加速度(离心力)来平衡较大的太阳引力。但在星系中心,虽然也集中了更多的恒星,还有质量巨大的黑洞,可是,离星系中心近的恒星的运动速度,并不比离得远的恒星的运动速度快。这说明星系的质量并不集中在星系中心,在星系的外围区域一定有大量暗物质存在。

天体的亮度反应天体的质量。所以天文学家常常用星系的亮度来推算星系的质量,也可通过引力来推算星系的质量。可是,从引力推算出的银河系的质量,是从亮度推算的银河系质量的十倍以上,在外围区域甚至达五千倍。因而,在那里必然有大量暗物质存在。

12、那么,暗物质是些什么物质呢?

宇宙学研究发现,在宇宙大爆炸初期产生的各种基本粒子中,有一种叫做中微子的粒子不参与形成物质的核反应,也不与任何物质作用,它们一直散布在太空中,是暗物质的主要“嫌疑人”。

但中微子在1931年被提出来以后,一直被认为质量为零。这样,即使太空是中微子的海洋,也不会形成质量和引力。曾有人设想存在一种“类中微子”,它的性质与中微子类似,但有质量。可是一直没有发现“类中微子”的存在。

极小的中微子运动速度极高,可自由穿透任何物质,甚至整个地球,很难被捕找到。但中微子与物质原子和亚原子粒子碰撞时,会使他们撕裂而发出闪光。探测到这种效应就是探到了中微子。但为了避免地面上的各种因素的干扰,必须把探测装置(如带测量仪器并装有数千吨水的水箱)放在很深(如1000米)的地下。

1981年,一名苏联科学家在试验中发现中微子可能有质量。近几年,日、美科学家进一步证实中微子有质量。如果这个结论能得到最后确认,则中微子就是人们寻找的暗物质。

寻找暗物质有着重大的科学意义。如中微子确有质量,则宇宙中的物质密度将超过临界值,宇宙将终有一天转而收缩。关于宇宙是继续膨胀还是转而收缩的长久争论将尘埃落定。

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