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暗物质
阅读：202010-10-05 23:25
标签：杂谈
在宇宙学中，暗物质(又称暗质)，是指无法通过电磁波的观测进行研究，换言之，不与电磁力产生作用的物质。人们目前只能通过重力产生的效应得知，或说发现，宇宙中有大量暗物质的存在。
现代天文学通过重力透镜、宇宙中大尺度结构的形成、微波背景辐射等研究表明：我们目前所认知的部分，即重子(加上电子)，大只占宇宙的4％，而暗物质则占了宇宙的23%，还有73%是一种导致宇宙加速膨胀的暗能量。暗物质的存在可以解决大爆炸理论中的不自洽性，对结构形成也非常地关键。暗物质很有可能是一种（或几种）粒子物理标准模型以外的新粒子所构成。对暗物质(和暗能量)的研究是现代宇宙学和粒子物理的重要课题。
暗物质存在的证据
最早提出证据并推断暗物质存在的是1930年代荷兰科学家Jan Oort与美国加州工学院的瑞士天文学家弗里茨·兹威基等人。弗里茨·兹威基观测螺旋星系旋转速度时，发现星系外侧的旋转速度较牛顿重力预期的快，故推测必有数量庞大的质能拉住星系外侧组成，以使其不致因过大的离心力而脱离星系。
2006年，美国天文学家利用钱德拉X射线望远镜对星系团1E 0657-56进行观测，无意间观测到星系碰撞的过程，星系团碰撞威力之猛，使得暗物质与正常物质分开，因此发现了暗物质存在的直接证据。
虽然暗物质在宇宙中大量存在是一个普遍的看法，但是科学家们发现螺旋星系NGC 4736的旋转能完全依靠可见物质的引力来解释，也就是说这个星系没有暗物质或者暗物质很少。
暗物质的组成及理论模型
星系转动曲线、引力透镜、结构形成、星系团中重子成分和结合星系团丰度与重子密度证据表明了宇宙中85-90%的质量不带有电磁相互作用。这些暗物质只通过引力作用而显现它们的存在。以下是人们提出的一些不同类型的暗物质：
热暗物质
温暗物质
冷暗物质
重子暗物质
在众多可能是组成暗物质的成分中，最热门的要属一种被称为大质量弱相互作用粒子（英文叫做Weakly Interacting Massive Particle，简称WIMP）的新粒子了。这种粒子与普通物质的作用非常微弱，以致于他们虽然存在于我们周围，却从来没有被探测到过。
还有一种被理论物理学家提出来解决强相互作用中CP问题，被称为轴子（Axion）的新粒子，也很有可能是暗物质的成分之一。
惰性中微子（sterile neutrino）也有可能是组成暗物质的一种成分。
暗物质的探测
暗物质的探测在当代粒子物理及天体物理领域是一个很热门的研究领域。对于大质量弱相互作用粒子来说，物理学家可能通过放置在地下实验室，背景信号减少到极低的探测器直接探测WIMP，也可以通过地面或太空望远镜对这种粒子在星系中心，太阳中心或者地球中心湮灭产生的其他粒子来间接探测。人们也希望欧洲大型强子对撞器(LHC)或者未来的国际直线加速器中人工创造出这些新粒子来。
暗物质假说
　　长久以来，最被看好的暗物质仅仅是假说中的基本暗性粒子，它具有寿命长、温度低、无碰撞的特殊特性。温度低意味着在脱耦时它们是非相对论性粒子，只有这样它们才能在引力作用下迅速成团。寿命长意味着它的寿命必须与现今宇宙年龄相当，甚至更长。由于成团过程发生在比哈勃视界（宇宙年龄与光速的乘积）小的范围内，而且这一视界相对现在的宇宙而言非常的小，因此最先形成的暗物质团块或者暗物质晕比银河系的尺度要小得多，质量也要小得多。随着宇宙的膨胀和哈勃视界的增大，这些最先形成的小暗物质晕会合并形成较大尺度的结构，而这些较大尺度的结构之后又会合并形成更大尺度的结构。其结果就是形成不同体积和质量的结构体系，定性上这是与观测相一致的。相反的，对于相对论性粒子，例如中微子，在物质引力成团的时期由于其运动速度过快而无法形成我们观测到的结构。因此中微子对暗物质质量密度的贡献是可以忽略的。在太阳中微子实验中对中微子质量的测量结果也支持了这一点。无碰撞指的是暗物质粒子（与暗物质和普通物质）的相互作用截面在暗物质晕中小的可以忽略不计。这些粒子仅仅依靠引力来束缚住对方，并且在暗物质晕中以一个较宽的轨道偏心律谱无阻碍的作轨道运动。
低温无碰撞暗物质
　　低温无碰撞暗物质（CCDM）
被看好有几方面的原因。第一，CCDM的结构形成数值模拟结果与观测相一致。第二，作为一个特殊的亚类，弱相互作用大质量粒子（WIMP）可以很好的解释其在宇宙中的丰度。如果粒子间相互作用很弱，那么在宇宙最初的万亿分之一秒它们是处于热平衡的。之后，由于湮灭它们开始脱离平衡。根据其相互作用截面估计，这些物质的能量密度大约占了宇宙总能量密度的20-30%。这与观测相符。CCDM被看好的第三个原因是，在一些理论模型中预言了一些非常有吸引力的候选粒子。
中性子
　　其中一个候选者就是中性子（neutralino），一种超对称模型中提出的粒子。超对称理论是超引力和超弦理论的基础，它要求每一个已知的费米子都要有一个伴随的玻色子（尚未观测到），同时每一个玻色子也要有一个伴随的费米子。如果超对称依然保持到今天，伴随粒子将都具有相同质量。但是由于在宇宙的早期超对称出现了自发的破缺，于是今天伴随粒子的质量也出现了变化。而且，大部分超对称伴随粒子是不稳定的，在超对称出现破缺之后不久就发生了衰变。但是，有一种最轻的伴随粒子（质量在100GeV的数量级）由于其自身的对称性避免了衰变的发生。在最简单模型中，这些粒子是呈电中性且弱相互作用的--是WIMP的理想候选者。如果暗物质是由中性子组成的，那么当地球穿过太阳附近的暗物质时，地下的探测器就能探测到这些粒子。另外有一点必须注意，这一探测并不能说明暗物质主要就是由WIMP构成的。现在的实验还无法确定WIMP究竟是占了暗物质的大部分还是仅仅只占一小部分。
轴子
　　另一个候选者是轴子（axion），一种非常轻的中性粒子（其质量在1μeV的数量级上），它在大统一理论中起了重要的作用。轴子间通过极微小的力相互作用，由此它无法处于热平衡状态，因此不能很好的解释它在宇宙中的丰度。在宇宙中，轴子处于低温玻色子凝聚状态，现在已经建造了轴子探测器，探测工作也正在进行。
超弦子
　　单位空间（即无限分之一体积）内产生物质的概率是二分之一，产生的物质叫“虚子”。为什么叫“虚子”呢？因为它的寿命只有无限分之一。虚子的运动速度为C（光速）。
　　“超弦子”定义：相对于“虚子”的“实子”叫“超弦子”，超弦子的寿命可以达到无限。怎样才能产生超弦子呢？相邻任意个单位体积同时产生“虚子”，才能产生形状固定的超弦子。各个虚子的速度方向是不同的，所以超弦子一产生就有自旋！
　　产生的超弦子如果遇到其他超弦子，会有三种情况：
　　1，互相撞碎，同归于尽，消失。（注：只有同时存在才能永远存在，超弦子被撞掉一点，整个就会消失）
　　2，由于万有引力和其他超弦子结合。同时改变速度和自旋！
　　3，不是有效撞击，相碰后“各奔前程”，改变自旋与速度！
　　请注意：产生的各种各样的超弦子像被烧过的砖一样，是一个整体，本身形状已经不能改变。一维的超弦子不能存在，二维同理，所以超弦子是三维的。
　　关于超弦子的质量：N个单位体积产生的超弦子的基础质量为2的N次方。根据超弦子的对称性大小，会增加额外的质量。质量越大，强度越大。不同的质量对应不同的极限速度。（注：2的N次方只是一个随便的指数，具体指数大小得由数学家去计算）。黑洞就是由质量巨大的超弦子形成的。物质掉进黑洞的速度是可以超光速的。
什么是暗物质和亮物质
　　现在说明什么是暗物质和亮物质：超对称的超弦子（即球状的超弦子）叫亮物质，其他形状的超弦子叫暗物质。
　　暗物质的两个特点：
　　1，不带电荷。
　　2，透明（即光子可以通过）。
　　因为暗物质形状不规则，所以形成暗物质的概率比形成亮物质的概率大得多，所以暗物质比亮物质多得多。