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暗物质与暗能量
2003年年底以来,从国内外众多刊物和媒体评选出的2003年世界十大科技进展新闻看,物质本源及生物起源仍是世界科技关注的重点,入选的多项科技进展都属于这一领域。其中,"科学家发现暗能量存在的直接证据"这一物质本源研究进展更是受到广泛关注。如美国“科学”杂志评出年度十大科学成就时评价说,“明确宇宙能量分布,找到暗物质和暗能量存在的新证据,是2003年所取得的最重大的科学突破。”
2003年7月23日,美国匹兹堡大学斯克兰顿(Scranton)博士领导的一个多国科学家小组宣布,他们借助美国“威尔金森微波各向异性探测器”(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe,简称WMAP)(右图)的观测数据(观测宇宙微波背景辐射的微小变化),发现了暗能量存在的直接证据。作为“大爆炸”的“余烬”,宇宙微波背景辐射大约在“大爆炸”后38万年产生,
其中的光子在宇宙中穿行时会经历一系列物理过程,特别是在经过质量较大的星系时,这些光子将遭遇“引力陷阱”。探测结果显示,宇宙年龄约为137亿年,宇宙由23%的暗物质,73%的暗能量,4%的普通物质组成。宇宙中所占比例最多的东西反而是人类最迟也是最难了解的,至今仅知道它们存在着,但还不清楚它们的性质。
斯克兰顿等人介绍说,如果星系主要由普通物质组成,那么光子在落入“引力陷阱”以及从中逃逸出来的过程中,由于“陷阱”深度固定,其能量总体上将不会变化。但是,如果星系中包含暗能量,情况就会不同。由于暗能量的排斥力作用,光子在落入“引力陷阱”并逃出来的过程中,“陷阱”会逐渐变浅,能量反而增加。体现在微波背景辐射观测图上,经过这些星系区域的宇宙微波背景辐射温度将出现细微上升。(右图为威尔金森各向异性微波探测器观测到的宇宙第一束光线--宇宙大爆炸的余辉)
斯克兰顿博士等将WMAP以及另一项名叫“斯隆数字天宇测量”(Sloan Digital Sky Survey,简称SDSS)(测定宇宙中星系的位置和彼此间距离)观测计划的结果进行了对比分析,结果发现,经过一些大质量星系区域的宇宙微波背景辐射温度确实出现了微升。科学家认为,这一结果只有用暗能量才能予以解释。(左图中左侧的黑色物为SDSS的主望远镜)
“暗物质、暗能量”到底是怎么回事呢?
暗物质
普通物质是那些在一般情况下能用眼睛或借助工具看得着的东西,即使藏身于最黑暗的角落,只要有光照总能发现它们。
谁最先发现了暗物质呢?二十世纪30年代,瑞士天文学家茨威基(Fritz Zwicky,1898-1974)(左图)发表了一个惊人结果:在星系团中,看得见的星系只占总质量的1/300以下,而99%以上的质量是看不见的。茨威基首先发现了暗物质的存在,他的发现大大推动了物理学的发展,他对科学的重大贡献是不可估量的。但当时许多人并不相信茨威基的结果。由于暗物质根本不与光发生作用,更不会发光,在天文上用光的手段绝对看不到暗物质。(右图为兹威基正在望远镜前观察)
万物之间存在万有引力,太阳系的九大行星围绕太阳旋转(左图),越往外其转动的速度越低,比如地球绕日速度是每秒30公里,高于火星,而火星的速度又高于位于它之外的木星,这是典型的中间有一颗大恒星的行星系表现。
二十世纪70年代初,科学家在观测宇宙其他一些星系(包括银河系(右图))中的恒星运行速度时就发现,越往外,围绕中心的速度并不都是衰减下去,而是和内圈恒星的速度差不多。这与越往外,物质越少,引力也越小,速度也应该越低的常规不符。由此反推,此时虽然外圈的那些能被直接观测到、数出来的星星数目变少了,但其实内部的物质数量并没有减少,引力也没有变小,只不过观测不到而已,科学家们大胆地猜测:宇宙中一定有某些物质没有被我们的天文观测所发现,这些物质被称为“暗物质”。
UGC10214星系是天文学家们发现的一个典型例子(左图),其中的物质不停地向它自己的外围流出,但在其外围却看不到任何别的星系存在。据猜测,该星系的旁边存在着一种“暗星系”,这些物质流就是在暗星系引力的作用下才流出来的。
科学家认为,通过测量物体围绕星系转动的速度可以找到暗物质存在的证据。根据人造卫星运行的速度和高度,就可以测出地球的总质量。根据地球绕太阳运行的速度和地球与太阳的距离,就可以测出太阳的总质量。同理,根据物体(星体或气团)围绕星系运行的速度和该物体距星系中心的距离,就可以估算出星系范围内的总质量。计算的结果发现,星系的总质量远大于星系中可见星体的质量总和,推算的结果:星系中的暗物质约占宇宙物质总量的20-30%。
暗物质的物理组成到底是什么?科学家们早先推测它可能由一种不带电的、质量很轻的、数目繁多的中微子构成,中微子的运动速度很快,可称之热暗物质;相对的,候选者还有可能是种质量大的、运动慢、引力大的冷暗物质粒子。天文学家后来在实际的观测和计算当中发现,答案更倾向于后者。冷暗物质粒子很可能是宇宙早期遗留下来的稳定、只有弱作用的重粒子(WIMP)。
2003年7月28日,以享克-霍克斯特(Henk Hoekstra)为首的加拿大多伦多大学(York University in Toronto)的天文学家成功测出了看不见的星系光晕(Dark matter halos)(也称晕圈,星系光环)的大小并确定了其形状(左图)。根据最新的天文学理论,这些星系由暗物质构成。多伦多大学的天文学家解释称,这些光晕的体积要比看得见的星系(也就是发光物质——星体)体积大5—8倍。
享克-霍克斯特与他的同事霍华德-伊(Howard Yee),以及目前在加利福尼亚帕萨迪纳(Pasadena)天文台工作的迈克尔-哥拉德(Michael Gladders)等在各自的研究中都运用了“引力透镜”(gravitational lens)效应(即质量庞大的天体通过引力作用使其它光源发出的光线在行进过程中发生偏离和扭曲)(右图)。天文学家们通过测算光线与光源之间的偏移度就可以对那些借助任何仪器都难以观察得到的天体进行研究。
天文学家利用1亿像素的数码照相机和安装在夏威夷岛上的大功率天文望远镜(Keck)(左图),对150多万个被附近12万个星系的“引力透镜”所扭曲的遥远星系的形状进行了研究。这一研究过程从1999年开始持续了两年,然后又花了两年时间对所获取的数据进行处理。最后得出结论:这些看不到的光晕被急剧“削弱”而形成鸡蛋状或橄榄球状。
享克-霍克斯特还指出,我们所在的星系—银河系的光晕超过50万光年,其质量约为太阳的8800亿倍。
这一研究数据再次证实了当前被天文学界普遍接受的理论——宇宙充满着“冷暗物质”,也就是运动较缓慢的微粒(与快速运动的“热”微粒相区别)(“热暗物质”占的比例极小)。这一研究结果还为其它宇宙模式理论给予了必要的冲击。因为目前一些科学家试图发展另外一种学说,即不存在任何暗物质,所观测到的“引力透镜”现象也只是星系中普通物质万有引力定律的特殊情况。但享克-霍克斯特教授相信,他们的研究工作将最终推翻这种学说。
世界各国的科学家为寻找暗物质正在进行着各种实验。
近十年前,一些科学家开始探索用测量年度调制的方法探测可能存在的冷暗物质粒子—弱作用粒子WIMP。由于地球绕太阳公转的原因,使得地球与WIMP的相对速度随季节变化,在每年的6月份可能通过一个较高的WIMP流强,而在
每年的12月份可能通过一个较低的WIMP流强,比率的涨落差约为7%。WIMP的年度调制,有助于将WIMP信号从本底中剥离出来。为了探测到这一调制,需要有大规模、很低放射性本底的探测器。
意大利格朗萨索(Gran Sasso)国家地下实验室(位于地下1400米深处)DAMA实验组从1996年开始选用放射性本底极低的碘化钠晶体阵列来探测WIMP。实验的初步结果观察到了碘化钠晶体中的原子核与WIMP粒子碰撞的效应也随季节有微小的变化,即观察到了它的年调制效应,并由此推算出WIMP粒子的质量至少比质子大50倍,引起世界科学界的重视。(右图为安装在意大利格朗萨索国家实验室中的碘化钠晶体阵列)中国科学家参加了此项国际合作。DAMA组的结果说明了有WIMP可能存在的初步证据,但美国斯坦福大学的科学家作了与DAMA类似的实验,尚未能证实DAMA的结果。最后的结论还有期待国际上更多实验的结果,例如,建在英国北约克郡(North Yorkshire)海岸博尔比(Boulby)地下1100米深处盐钾碱矿的英国暗物质实验中心已经于2003年4月28日正式启动。
除了地下的探测,利用强磁场和精密探测器来探测宇宙空间的反物质和暗物质,探索和研究宇宙物理学、基本粒子物理学和宇宙演化学的一些重大和疑难问题的阿尔法(α)磁谱仪
(Alpha Magneitic Spectrom-eter,简称AMS)的研制工作正在进行。AMS是人类送入宇宙空间的第一个大型磁谱仪,这是美籍华裔物理学家丁肇中教授提出并领导的大型国际合作科学研究项目,由美国和中国等10多个国家和地区的37个科研机构参加科研工作。1998年6月,AMS由“发现号”航天飞机载入太空,进行了约10天的试验性探测。计划将来通过航天飞机把它送到由美、俄、西欧、日本和加拿大等国联合研究的“国际空间站”上运行3-5年。(左图为“发现号”航天飞机上的AMS)
AMS由一个直径约1.2米、高0.8米、重量约为1.85吨的圆环形永磁体产生均匀的平行磁场,磁束密度约为0.15特斯拉。圆环内安装6层硅微调探测器,用来记录带电宇宙射线粒子的运动轨迹。一个带正电荷的粒子在穿过磁场时,其运动方向将与带负电的相反。根据每层记录下来的带电粒子穿过的轨迹,可以推算出粒子的偏转方向及带电荷的大小。带电荷量愈大,
在穿过每层硅微调探测器时能量损失愈快。具有较大动量的粒子在穿过探测器时偏转的角度较小,从而可以估计出粒子的质量。磁谱仪的上、下两层还装有闪烁体,当粒子穿过时会发出亮点,其亮度与粒子穿过时的能量成正比。通过上、下两层光点亮度及穿过瞬间的比较,可以得出粒子能量的损失大小以及粒子穿过所需的时间。反物质、暗物质在磁场中运动时会表现出不同的特点,因而可以探测出来。
AMS能精确测量存在于太空中的反质子、正电子、光子和其它粒子的能量分布,从而有可能揭开暗物质的秘密。中国在这项重要的研究和应用中也作出了重要的贡献。(右图为由中国科学家设计制造的AMS-01永磁体系统在北京进行震动实验)
暗能量
天文学家认为,暗能量在宇宙中起斥力作用,但又不能严格说其是一种斥力,只能称其为能量。宇宙大爆炸时发生膨胀,产生的能量把物质往外排斥,暗能量斥力作用的发现,使学者们认识到,宇宙不光是在膨胀,而且还是在加速膨胀。
暗能量在宇宙中更像是一种背景,让人根本感觉不到它的存在,但它确实存在,且起着非同一般的作用。有人把暗能量称为“真空能”。上世纪20、30年代,就有科学家认为真空不空,只是物理的探测仪器探测不到“真空”中并非真的什么都没有。
对暗能量理论上的猜测可追溯到爱因斯坦年代,1915年爱因斯坦(Albert Einstein,1879-1955)(右图)提出了广义相对论,这是自牛顿时代以来第一次出现的重力理论。1917年,他将广义相对论公式应用到整个宇宙,想看看能否获得对宇宙本质的新认识。世界上的物理学家、数学家随即开始解其中的引力方程,方程有两种解,结论是宇宙不会完全静止,宇宙没有静止点。
方程的第一种解是,如果宇宙只存在引力,没有别的力作用的话,出于相互吸引,宇宙不可能静止.
方程的另一种解是,宇宙爆炸的那一瞬间获得了一个初速度,向外膨胀,但由于引力作用往回拉,宇宙肯定越胀越慢,所以宇宙不是膨胀就是收缩,不可能静止。
爱因斯坦觉得从哲学思想上分析,这两种解都不合适,按他的想法宇宙应该是静止的,不能永不停息的运动。因此,爱因斯坦又向广义相对论引力方程中引入了一项“宇宙常数”(cosmological constant λ)。这个宇宙常数起排斥力的作用,有了该常数之后,引力方程同时具备了引力和斥力,
正好能够达到平衡,可让宇宙“静止”下来。
上世纪20年代,美国著名天文学家哈勃(Edwin Powell Hubble,1889-1953)(右图)经过观测发现,宇宙确实是在不断膨胀,他根据星系的距离和运行速度证实,离我们越远的星系向外运动的速度越快
,这是宇宙正在膨胀的表现。这一观测结果完全与引入“宇宙常数”之前的引力方程的计算结果相契合,迅速得到了世界上绝大多数科学家的认可。爱因斯坦本来是想把宇宙“静止”下来,但实际的宇宙是在膨胀着。他认为:“引入宇宙常数是我这一生所犯的最大错误!”(左图为哈勃正在帕洛马山上48英寸望远镜前进行天文观测)
但爱因斯坦提出的“宇宙常数”并未被科学家们遗弃,一小部分科学家此后在将观测结果与理论进行对比的时候,常常会把此常数捎带上。如果计算结果显示“宇宙常数”等于0,就证明该数确实不能用;反之,就证明爱因斯坦引入一个常数的思路是对的。
1997年哈勃太空望远镜拍摄到一颗超新星,编号为“1997ff”(左图)。美国马里兰州太空望远镜研究所和劳伦斯伯克利国家实验室的天文学家通过对该超新星光线的相对强度进行的研究表明,“ 1997ff”爆发于110亿年前,是迄今发现的最遥远的超新星,当时宇宙的年纪只有现在的四分之一,宇宙的膨胀很可能经历了一个先减速、后加速的过程。科学家为爱因斯坦的“暗能量”理论找到了第一个直接证据。
超新星即爆炸中的恒星,它发出的亮度是几十亿颗恒星亮度的总和。测定超新星的亮度,可以用来判断宇宙膨胀的速率。
在宇宙减速膨胀中诞生的星体,其发出的光到达地球时,该星体和地球之间的距离由于膨胀减速的原因要比预计的近,因而地球上的观测者会发现其光要比预计中更亮。(右图为超新星的爆炸)
经过大量的计算和分析,科学家们确认“ 1997ff”的亮度是预计正常亮度的两倍,比距离更近、更年轻的超新星爆炸发出的光还要亮。科学家们据此判定,这颗超新星爆发于宇宙的减速膨胀阶段。
科学家们指出,新发现和此前的观测结论相结合,证实了宇宙膨胀先减速后加速,同时也证明宇宙中确实存在“暗能量”。
“暗能量”据认为更接近能量,而非物质。科学家认为,与暗物质一样,“暗能量”构成了宇宙中不可见的一部分。科学家估计“暗能量”可能占据了宇宙成分的三分之二,对它的了解对于理解时间、空间、物质和能量具有关键作用。
1998年,天文学家们在南极用80万立米气球搭载BOOMERANG(Balloon Observations of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics))微波探测器(气球从1998年12月29日到1999年1月9日从37公里的高空飞越南极)
BOOMERANG在空中控测了宇宙微波背景(CMB)下扰动的大量样本,其中,CMB是从各个方向袭击地球的持续的电磁声波。这些遥远的声音是大爆炸之后的遗留辐射。他们探测的只是全天中的一小块,得出的结论是:“宇宙常数”不等于0,且在整个宇宙中所占比例还很大。此后,“宇宙常数”正式被称为“暗能量”。
爱因斯坦没有想到,当初他认为是错误的“宇宙常数”——暗能量,竟然是极有道理的,几乎可称得上是宇宙的本质。
观念的冲击和突破
波兰天文学家哥白尼(Nicholas Copernicus,1473-1543)(左图)1536年写成《天体运行论》,1543年公开出版。他在书中指出,地球不是宇宙的中心而是围绕太阳运行的普通行星,其自身又以地轴为中心自转。哥白尼的日心说推翻了统治天文学1000多年的地心体系(即地球是宇宙中心的学说),引起了全世界的轩然大波,人们不得不重新审视自身在宇宙中所扮演的角色。
在此之后,天文学上的发现不断地突破人们所建构的关于宇宙中心的知识体系,地球不是中心,太阳也并非就是,银河系也不是,随着爱因斯坦广义相对论的提出,人们才认识到宇宙根本没有中心。
暗物质和暗能量的存在是以前人类无法想象的事情,随着暗物质、暗能量被证实存在,并证实它们在宇宙中占有很大比重,人们的观念受到极大的冲击和突破。“宇宙由暗物质组成并因暗能量而彼此分开”这一难以理解而且违反常理的宇宙模型,也由于WMAP、SDSS以及新的超新星数据,逐渐得到了验证。科学家们已经开始研究一系列新问题,进一步探索这些“不可见宇宙”如何影响银河系和宇宙的过去、现在和未来。可以相信,人类最终一定能够理解宇宙的起源。
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