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人类即将揭开宇宙中最大的谜团之一:暗物质

 图:一个计算机模拟的黑洞。


你有没有听过宇宙中一个非常非常大的命题:宇宙中大约有80%的东西不能被发现。


天文学家称这些失踪物质为“暗物质”。他们知道它不在这儿,因为它巨大的质量拖拽着星系并使之成形。除了存在万有引力,据我们所知,暗物质似乎没有与恒星、行星、尘埃、原子、亚原子粒子、花哨的科学仪器或任何其他 “正常”物质之间存在其它的相互作用。它本质上是不可见的。


然而这困惑科学家近85年的深奥宇宙之谜,可能很快就会结束,可能就在未来这一年内。NASA宇宙学家亚历山大·卡什林斯基(Alexander Kashlinsky)认为引力波,这一近期的突破性发现可以排除一个想法:暗物质是由奇异的难以探测的粒子组成的。


他怀疑:黑洞相撞产生的引力波可能比任何人想的更为常见,可能在宇宙大爆炸(the Big Bang)后第一个几分之一秒就已经存在。这意味着占着宇宙大部分空间的暗物质的组成元素根本就不是外来粒子。它可能简单地就是由很多黑洞组成的纯粹地狱。


如果卡什林斯基和其他科学家是正确的,实际情况可能是在宇宙一开始,黑洞就吞噬了4/5的物质,比第一颗恒星的诞生还要早数百万年。这种剧本存在另一个令人不安的点:无数古老而又贪婪的未被发现黑洞正潜伏在我们周围黑暗的太空中,就像不露面的傀儡师不断拖走“正常”物质。


一个黑暗谜团的起源

加州理工学院(Caltech)天文学家弗里茨·兹威基(Fritz Zwicky)在1933年首次提出暗物质的想法。


当时,兹维基正试图锁定一群现在著名的星系——后发星系团的运动。后发星系团由大约由1万亿颗恒星组成,距离地球22亿光年。为此,他比较测量这个星系的两种维度:星系的亮度和移动速度。兹维基利用加州理工学院为他制造的一个特殊望远镜拍摄这个集群,测出了那些星系的平均速度,结合爱因斯坦的相对论计算出星系的重量,然后他用这个数据比照星系的亮度。


兹维基傻眼了。这个星系太暗了,难以解释它的这种运动。他的计算结果表明星系太重了。他认为存在一些看不见的质量(他称之为“暗物质”)潜伏在这个集群里面,并使之膨胀起来,从而解释这种差异。从那以后,研究人员在宇宙中发现了多个类似的暗物质口袋,潜伏在星系的边缘,就像巨大的材料“光晕”,玩弄着恒星的运动。


他们还提出了两个强有力的想法来解释暗物质是什么,但其中只有一个可能是正确的。


晕族大质量致密天体(MACHOS)与大质量弱相互作用粒子(WIMP)

黑洞迅速成为暗物质的头号嫌疑犯。毕竟,它们不发出任何光并且难以相信的致密和紧凑。它是几乎完美的目标,能对可见物质施加强大的万有引力。像兹维基那样的计算结果表明它们可能就潜伏在星系的外围,所以天文学家称之为“晕内大质量高密度天体”( MACHOs)。


科学家还认为MACHOs可能在宇宙大爆炸后的几分之一秒就形成了。这是有可能的,因为爆炸后的超级能量汤冷却成第一批亚原子级别的物质(最终成原子,气体,恒星,等等)。几百万年以后,恒星、星系和行星慢慢形成。这些原始的黑洞便潜伏了下来,精细地影响着它们的命运并且最终大大超过它们。对于每一颗明亮的华丽的太阳,四倍太阳质量被永远锁进一个黑洞。

他们也会在宇宙最深的最古老的图像上留下一个印记,称为宇宙背景辐射。这种辐射是大爆炸能量留下的微弱余辉,大爆炸后大约存留400000年之后,当亚原子粒子最终冷却并凝缩成原子。


但是,MACHOs形成暗物质的想法很快失宠了。

引力透镜或“爱因斯坦环”。蓝色戒指事实上是一个位于红色星系后面的星系,时空扭曲和周围弯曲的光像一个镜头。ESA, NASA/Hubble


研究人员还在找小引力透镜或“微型透镜”,在那里原始黑洞通过弯曲空间构造使光围着自己。


我们看到在更大的物体上看到大量的引力透镜,就像上面所示的星系。然而微引力透镜存在的证据(原始黑洞在一颗明亮的星星前通过)还有待发现。

所以近年来,出现了一种更受欢迎的想法,暗物质可能由弱交互作用粒子(WIMPs)组成:暗物质无比沉重而且难以发现是因为他们像幽灵一样通过几乎所有由重子组成的(正常)物质。


研究人员将头伸进SuperCDMS探测器。Reidar Hahn/Fermilab

问题是, WIMP研究目前存在一个危机。


一些雄心勃勃的实验用过冷探测器深入太空深处,寻找暗物质粒子的迹象。但是像勒克斯实验(位于远低于南达科他州的黑山中)即使经过多年的寻找,最新消息表明仪器未能发现任何证据。


“这样的搜索已经进行了很长一段时间,慢慢缩小盒参数(暗物质)粒子可以隐藏的地方但还是没有可靠地检测到它。”卡什林斯基在一封电子邮件中写道。

这就是为什么引力波的发现能使卡什林斯基和他的同事们如此兴奋。


黑洞碰撞和微透镜

两个黑洞碰撞形成的黑洞以前只是从计算机仿真中见过。激光干涉引力波天文台(LIGO)有史以来第一次检测到的一个非常强有力的事件。SXS / LIGO

2016年2月,研究人员发现空间中存在涟漪,被称为引力波。引力波从提出到被发现已经躲过了地球上最聪明的头脑和最敏感的机器近100年。


引力波产生的原因?两个黑洞的史诗碰撞,一个的重量约29个太阳和另一个重约36个太阳。在这个事件中,一些三倍太阳质量的物质瞬间变成了引力波能。时空扭曲的程度达到能使科学家在碰撞发生十亿年之后在地球上探测到。


该发现的关键是激光干涉引力波天文台(LIGO)。15个理事国,900个科学家,10亿美元的实验,从2002年就开始寻找该现象发生的标志。


那些黑洞的大小应该说是罕见的。再一次,达到约30个太阳的质量, 这一发现给“暗物质是MACHO组成的”这一想法注入了新的活力:或许这个理论曾经被低估的太快了。


卡什林斯基说那样大小的黑洞不仅符合对MACHO的估计,而且没有明确被显微镜头搜索排除掉。更重要的是,他补充道,宇宙背景辐射数据用来见证远古黑洞造成的干扰可能不够详细。


 

远古黑洞可能会在宇宙背景辐射上.留下了印记。NASA/JPL-Caltech/A. Kashlinsky (Goddard)


“这就像我做披萨时告诉我的孩子:你在揉面团,突然看到有洞出现在面团上。这可能在很早的时候就发生了。”他说,在第一个物质开始形成之前。


通过比较宇宙红外背景(CIB)和宇宙x射线背景(CXB),卡什林斯基可能已经在宇宙远古辐射中找到一些关于那些组成“面团洞”的MACHO的线索。简而言之,有一些无法解释的斑块分布可能是原始黑洞留下的签名。


2016年6月宣布得第二次发现引力波与卡什林斯基的理论不太一致,因为两个黑洞碰撞——一个8倍太阳质量,另外一个是15倍太阳质量,应该考虑附近有一个最少10或20倍太阳质量的原始黑洞。


但这并没有影响到卡什林斯基。


“原始黑洞的质量是有限的,最大可能达到1000倍太阳质量。 LIGO黑洞属于这个范围。也许这就是暗物质。”卡什林斯基说。


证明实例

图解欧洲太空总署欧几里得“暗宇宙”望远镜。ESA/C. Carreau

卡什林斯基和他的团队主要有三种方式可以为他们的猜想加固证据链。


一种是简单地等待。如果LIGO持续检测大约30倍太阳质量的黑洞,那么这一事实将很难被忽视。


“我们应该能在几年内知道答案。9月,LIGO将启动一新一轮的观测。如果他们继续以这种速度发现这些野兽,每一到两周一次,我们应该会有足够的统计数据来证实这种可能性。”他说。


尽管如此,卡什林斯基和他的伙伴并不是悠闲地坐着,而是正在积极寻找其他两种方法。


他们最近提出了一个更有针对性的研究,寻找可能在宇宙早期就被黑洞造成的微透镜。


“如果你看到我们自己的星系,应该有大约10-1000亿个原始黑洞。偶尔有些黑洞会通过一个恒星前,而且您应该能看到效果。”他说。


研究小组也在研制一个叫做欧几里得的宇宙背景望远镜,目前计划在2020年发射。


他们的工程,称为天秤座(LIBRAE),应该比COBE(美国宇航局的太空望远镜)更为灵敏。到目前为止,它已经记录了宇宙背景辐射的最佳映射,并创建了足够详细的图像来披露“披萨面团洞”(任何原始黑洞在宇宙早期留下的)。

卡什林斯基说他有强烈的预感,他用黑洞来解决暗物质之谜可能是正确的。他认为自己并不是一个赌徒。


“暗物质粒子光谱的可能范围正在迅速缩小 。如果这块没有任何发现,而且黑洞中也没有任何发现,那么我们的科学将陷入危机。”他说。

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来自:鳳道隨風  > 宇宙科幻
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