未登录

开通VIP,畅享免费电子书等14项超值服

开通VIP
暗物质的天体物理限制

2019.02.15

关注

1. 引言


暗物质和暗能量是飘在现代物理学和天文学上空的“两朵乌云”。我们日常所熟悉的各种东西,如花草、土石、水与空气等,乃至组成它们的分子、原子甚至电子、光子等,只占整个宇宙组成的约5%。目前的粒子物理标准模型也仅限于解释这5%的宇宙组成,剩下的95%只是由它们的万有引力效应而被我们所察觉,姑且将其称为暗能量(约占70%)和暗物质(约占25%),其本质则完全未知!


人们很容易想到某些天体不发光,例如褐矮星、行星、小黑洞、碎石等。不过,通过各种观测,人们已排除了这些普通物质组成的不发光天体作为暗物质主要成分的可能性。例如,宇宙核合成理论表明,如果大量暗物质是普通的重子物质,那么在宇宙大爆炸时,重子物质密度比较高,会导致核反应更为充分,使残留的氘核远少于实际观测到的量。根据大爆炸核合成和宇宙微波背景辐射的观测,推断重子物质约占宇宙总密度的4.7%。因此,暗物质可能是由尚未发现的粒子组成的,因不带电荷而不会发光(电磁波),所以“暗”。


迄今为止,暗物质还没有在实验室中被发现。因此,关于暗物质的主要信息,仍然来自天文学观测。这些观测可以给出一些暗物质的性质,虽不能立即回答暗物质是什么的问题,但可以排除许多可能性。


2. 暗物质的天文观测证据


暗物质的发现要归功于天文学家的观测。早在20世纪30年代,在美国工作的瑞士天文学家茨维基分析了离我们比较近的后发座星系团(Coma Cluster)的观测数据,他发现根据其中星系运动的速度(径向运动速度可以根据星系光谱谱线的多普勒效应测出)推断的质量要远远大于根据其亮度推测的质量。或者换句话说,如果假定星系团中各星系内的主要质量来自恒星,而这些恒星类似于太阳或我们已观测到的恒星,那么其质引力远远不足以束缚住星系团内大量高速运动的星系,这说明星系团中存在着大量不发光的隐形物质,它们是星系团真正的主宰。茨维基把这种物质叫做“dunkleMaterie”即德语的“暗物质”。同一时期,荷兰天文学家奥尔特通过分析银河系盘上恒星的运动,也发现其密度高于观测到的发光恒星质量。


到了20世纪70年代,鲁宾等人对包括银河系、M31 以及一些邻近的旋涡星系旋转速度进行了测量。在旋涡星系中,恒星和气体大体是作为一个整体环绕中心旋转的,旋转的向心力由引力提供,因此通过其旋转速度测量可以得出引力的大小。我们可以画出离星系中心不同距离处的旋转速度曲线(图1)。如果质量主要来自发光的物质,那么在旋涡星系发光的恒星盘的边缘或外面*,随着引力减小其旋转速度也应迅速减小,但实际的观测表明,这种速度往往并不很快减小,甚至常常保持常数,说明在恒星盘外应该有由不发光的暗物质组成的球形或椭球形晕。


图1 旋涡星系的旋转曲线


对于椭圆星系来说,寻找暗物质证据要困难一些,因为椭圆星系内的恒星没有一个整体的转动,而是每颗星都各不相同地运动,只能测出速度弥散。椭圆星系周围的中性氢气体也很少,难以测量。不过,目前的观测也表明,在椭圆星系的外围速度弥散不显著降低,因此应该也处在暗晕之中。


现在,人们在很多天文观测中都发现了暗物质的证据。例如,在星系团中,除了像茨维基那样从其成员星系的运动速度推断其质量(称为动力学质量)外,这些星系团中还弥漫着高温气体,这些气体发出X射线。假定这些气体处在流体力学平衡态(压强差与引力相平衡),也可以估计其质量。


还有一种办法是使用引力透镜观测。引力使经过星系团或星系附近的光发生偏折,因此如果我们观测一个星系团背后的星系,会发现很多星系的形状发生扭曲(弱引力透镜)(图2),甚至产生光弧或多个像(强引力透镜)(图2)。通过引力透镜,也可以测得其质量。所有这些测量都表明星系中存在许多暗物质。


图2 星系团Abell 2218 产生的引力透镜光弧


对于星系旋转曲线,除了暗物质外,也有人提出了另一种解决的思路:也许在星系的尺度上,万有引力定律不成立,毕竟此前我们只是在太阳系内才真正对其进行过检验。米尔格罗姆提出了修改牛顿引力(MOND)理论,也可以很好地拟合旋转曲线。


但是,从这一思路构建一个自洽、完整的理论相当困难,而且对于星系团中的暗物质,这一理论解释得也不太好。另外,子弹头星系团对这种解释也是一个沉重的打击:子弹头星系团是正在发生碰撞的两个星系团,如图3所示。利用弱引力透镜观测,人们发现团中物质最多的地方也是星系最多的地方,但与X射线亮度分布并不重合,后者是气体或普通物质最多的地方。


这就证明,引力并不以大量的气体所在之处为中心。在不引入暗物质的修改引力理论中很难解释这一现象,但在暗物质理论中因为暗物质相互作用很弱,可以与气体分离,因此得到自然的解释。


图3 子弹头星系团(1E0657-56),

(a) 图为光学图像,

(b)图为X射线图像。曲线表示投影密度分布


3. 暗物质与结构形成理论


宇宙大爆炸理论预言,在大爆炸时产生的大量光子将留存到今天,并红移到微波波段。宇宙微波背景辐射在20世纪60年代被意外发现,此后宇宙学家们开始在这一框架下构建宇宙模型。暗物质由于其引力作用,在星系形成与演化中起着重要的作用,也是这些模型的重要组成部分。


宇宙微波背景辐射在各个不同方向上几乎具有相同的温度,只有一些微小的涨落(约十万分之一),这说明早期宇宙是高度均匀的,在引力作用下才演化为今天包含各种星系的非均匀宇宙。这给出了对暗物质性质的一个重要限制:它不能太热。


如果暗物质在宇宙早期比较“热”,也就是以接近光速运动,则会把宇宙的小尺度结构“抹平”,那么要形成宇宙结构,就需要宇宙先形成一些大结构,再分裂成小尺度的星系。但是,在20世纪80年代,人们就已认识到这不符合对星系的观测结果。因此,热暗物质模型被排除了,只有冷暗物质模型和温暗物质模型还有可能(温暗物质是指暗物质的运动速度远小于光速,但比冷暗物质还是高一些,因此可以抹掉小于星系尺度的一些涨落)。


这直接排除了粒子物理标准模型中看上去最像暗物质的粒子——中微子,本来中微子不带电,与普通物质相互作用微弱,因此人们一度认为它是很好的暗物质候选者,但是中微子质量太小,在宇宙早期会获得很高的运动速度,因此属于热暗物质。


当宇宙大爆炸结束时,等离子体迅速复合,宇宙变得透明,光子终于能够自由穿梭在宇宙空间里,但振荡的印记却完好的保留了下来。那时的炽热光子经过一百多亿年的传播,形成了现在的宇宙微波背景辐射(CMB)(图4)。暗物质和普通物质也同样留下了振荡的痕迹,通过观测星系的大尺度空间分布的密度起伏,也能找到类似CMB中的振荡特征,即重子声波振荡(BAO)。通过分析CMB功率谱和BAO,人们可以推断出重子物质、光子和暗物质所占宇宙的组份,甚至暗物质的其他性质。




图4 (a)Planck测得的宇宙微波背景辐射

(CMB)温度起伏各向异性天图;

(b) CMB温度起伏在不同空间尺度下的幅度,

红色为观测值,绿色为理论计算曲线


加上宇宙学常数暗能量的冷暗物质模型(LCDM)总体上能够很好的描述星系的形成和演化。但是,在观测中特别是较小的尺度上也有一些与理论不完全符合的地方。例如,在N体数值模拟中,像银河系这样大小的星系暗晕周围有成百上千的子暗晕,但实际上迄今为止人们只看到了几十个卫星星系(缺失卫星问题),而且已发现的这些卫星星系还比模拟中最大的卫星星系小。另外,N体模拟得到的暗晕中心密度轮廓比较陡(随距离缩短密度迅速升高),但是通过对一些主要由暗物质组成的矮星系的观测,人们发现在中心时其密度并不迅速增加。


这些问题既可能是暗物质性质引起的(例如,人们提出了温暗物质模型、自相互作用暗物质模型、衰变暗物质模型等),也可能是纯粹由于一些天体物理效应造成的,毕竟人们比较容易模拟纯引力相互作用,而对于气体,特别是其冷却、恒星形成、反馈等复杂过程则较难给出准确的模拟。


4. 弱相互作用暗物质


一种具有冷暗物质性质的候选者,是一种只参与万有引力和弱相互作用而不参与电磁相互作用和强相互作用的未知粒子,其质量大于几个质子的质量,典型值为几十到几百GeV,通常称为弱相互作用重粒子(WIMP)。WIMP完全具备冷暗物质的所有性质,可以很好的满足目前大部分天文观测。


另外,许多超越标准模型的粒子物理理论,最典型的如超对称理论,可以自然地预言存在这样的粒子。而且,根据统计热力学估算在宇宙大爆炸中产生这种粒子的数量,刚好与实际观测到的具有同一数量级,因此物理学家们高兴地把这称之为“WIMP奇迹”。因此,WIMP 是最被看好的暗物质粒子候选者。


从理论上来说,WIMP 存在弱相互作用,因而可以在高度屏蔽的地下实验室中被高灵敏度的探测器直接探测,也可以湮灭或衰变为高能光子(例如X射线、γ射线)、中微子或宇宙线(来自宇宙的电子、质子、氦核、少量反物质粒子等)等。湮灭可以发生在银河系暗晕中,另外这些暗物质也可能富集在太阳或地球中心,那里的湮灭也可以通过高能中微子探测。目前,许多实验通过观测这些湮灭产物间接探测暗物质。例如,探测γ射线的费米卫星、探测宇宙射线的PAMELA卫星、侧重探测反物质的AMS-02实验、以及中国发射的暗物质粒子探测卫星——“悟空”(图5(a))等。“悟空”是目前世界上观测能段范围最广、能量分辨率最高的暗物质粒子探测卫星,它既可以探测γ射线也可以探测宇宙射线,真正做到了“火眼金睛”,誓要揪出暗物质这个“妖魔鬼怪”。


这些卫星像一个收集高能粒子的“盒子”,其中装有高能粒子探测装置。当有高能光子或宇宙射线打入“盒子”中,探测装置就会判断是何种粒子,并记录其能量等参数。最终科学家们就会得到一条随能量变化的能谱(图6(b))。通过这条能谱曲线,就可以判断是否存在暗物质湮灭或衰变的迹象。



图5 (a) 中国暗物质粒子探测卫星“悟空”;

(b)“悟空”探测到的高能光子能谱。

“悟空”是目前世界上覆盖能段最广,

分辨率最高的暗物质探测卫星


根据这些空间探测器的观测,人们似乎发现了一些暗物质的蛛丝马迹,但目前仍然没有确切的证据证实其存在。例如PAMELA卫星就观测到了大量来自宇宙的正电子,这一结果也被AMS确认,而且Femi卫星也观测到银河系中心呈球对称分布,越靠近中心强度越大的γ射线“云”,这无疑符合WIMP的预言。但可惜的是这一信号也有可能来自快速旋转的中子星(即毫秒脉冲星),而且人们并没有在暗物质比例更高的矮星系中观测到类似信号,所以仍然不能确认这一信号来自暗物质。另外,我国的“悟空”就在1.4 TeV能量处探测到了一个“峰”(图4(b)红色数据),有可能是太阳系附近的暗物质子晕产生的信号。然而由于采集样本数目偏少,目前还不能确认是否是真实信号还是统计涨落。


暗物质究竟是什么?是未知粒子还是引力幻觉?大自然有太多的疑问等待我们去理解,是困难也同样是契机,科学家们唯有脚踏实地,昂首前行,才能最终俘获这宇宙的“幽灵”。


恒星盘的外部还有少量的恒星可供测量,另外还有由中性氢气体组成的盘,因此通过观测其21cm谱线测出速度。这些气体盘本身的质量远小于恒星盘,不足以产生如此强的引力。

本站仅提供存储服务,所有内容均由用户发布,如发现有害或侵权内容,请点击举报
打开APP阅读全文并永久保存 更多类似文章
猜你喜欢
类似文章
赛先生天文| 发现暗物质宇宙
真空比宇宙中的一切都有更多的能量,宇宙你到底怎么了?
眼睛是如何演化出来的,以及关于存在的 52 个问题,都在这
XXXII:暗物质为什么一定存在?
暗物质是原初黑洞吗?(上)
关于暗物质的“真实身份”,三年前科学家完全弄错了
更多类似文章 >>
生活服务
绑定账号成功
后续可登录账号畅享VIP特权!
如果VIP功能使用有故障,
可点击这里联系客服!