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寻找影子宇宙 | CosmoScape | 星空天文网
2014年7月8日
“它”构成了宇宙中绝大多数的物质,但是我们对“它”一无所知。正如马库思·乔恩(Marcus Chown)所说,现在暗物质的藏身之处可能就在我们的眼皮子底下。
美国天文学家卡尔·萨根(Carl Sagan)曾经说过,比起科幻小说他更喜欢真正的科学,因为科学更加神秘莫测。好吧,听听这个科学假说:宇宙中存在着和我们的银河系占据同样空间大小的另一个星系,它之所以没被发现是因为我们在望远镜里是看不见它的,这个星系里甚至还可能有看不见的恒星、行星和看不见的生命。
隐藏的暗物质世界是不是可能就在我们的眼皮子底下?
关于“影子”银河系的想法可能听起来疯狂,但是这是美国物理学家们的一个严肃的假设,试图搞清楚我们宇宙中的看不见的,即“暗”物质。“我们认为这一问题很值得探索,因为它既可以解释一些令人不解的现象又可以通过实验加以验证。”马修·麦卡洛说,他来自波士顿附近的麻省理工大学理论物理中心。
我们一直通过假设暗物质的存在来解释一些令人困惑的天文现象,其中之一是位于螺旋星云边缘地区的恒星沿轨道运行过快。就像坐在加速的转椅上的孩子,他们本该飞入星际空间,但却没有,天文学家给的解释是:多亏了那不会发出可探测光的大量物质(暗物质)产生出的引力控制。
接下来你要读到的就是第二个要用暗物质来解释的现象——对宇宙背景辐射现象,即宇宙大爆炸火球的“余晖”的观察表明,物质最初在空间里传播非常均匀,然而,宇宙中也会有相对而言密度较大的地方,这些区域引力比之周围区域更大,能把物质更快地拉进去,密度也因此变得愈加大。但是这一过程仍然太慢,在宇宙形成的13.8亿年时间内,不足以成像银河系那样大小的星系。为了解释我们银河系的存在,我们就很有必要假定有大量的暗物质存在,因为有暗物质额外的引力可以极大地加快星系形成的进程。
暗物质理论
暗物质占宇宙质能的26.8%,比重超过正常物质——形成你、我和其他一切东西的原子(4.9%)——的五倍。问题是:暗物质究竟是什么?各种各样的意见都有,从宇宙大爆炸时留下的电冰箱大小的黑洞到自未来飞回的“时光之箭”,但是最流行的说法是说暗物质是由一种迄今尚未发现的亚原子微粒组成的。
暗物质有很多的“候选者”——例如轴子,它可以解决自然的“强大”力量和大质量弱相互作用粒子之间的问题。大质量弱相互作用粒子是由理论预测出来的,例如其中的超对称理论就试图表明一种自然基本粒子——费密子——无非就是另一种粒子玻色子的反面而已。这些粒子是假借已知的亚原子粒子中的“超对称粒子”为幌子。最轻的稳定超对称粒子——中轻微子,是最流行的暗物质“候选者”。
但是仍然有一个问题。在日内瓦附近的大型强子对撞机目前为止还没有通过其高能量碰撞造出中轻微子或任何暗物质粒子。“到2015年,一旦加速装置重新以更高的碰撞能量运行,就有可能出现这样的粒子,”麦卡洛说,“但是如果做不到呢?”
这使得一些物理学家考虑我们的暗物质模型是否需要稍加改进。“我们日常生活的世界是复杂的,不是由单一的乐高砖粒子构成的,而是由众多的粒子构成,”麦卡洛说,“如果暗物质也是这样那怎么办呢?”
现在是创造新的暗物质理论的时候了吗?(图:hdwallpapers.in)
麦卡洛一直与哈佛大学的丽萨·蓝道尔(Lisa Randall)一起工作,她是《弯曲的旅行:揭开隐藏着的宇宙维度之谜》一书的作者,也是哈佛大学和麻省理工学院的第一位享有终生职位的女理论物理学家。她和同事提出一种物质的新形式,可使物质在回避正常物质时还可以与自身相互作用,因此,我们不知道它就在那儿。
最重要的是,这种能自己相互作用的暗物质与传统暗物质表现非常不同。我们相信银河系是由暗物质混合着一点点正常的物质组成的巨大旋转球体云所形成的。正常物质在重力的作用下开始缩小,由于赤道上有外在的离心力来反抗重力,所以在两极物质缩小速度比在赤道的要快,结果是形成一片极薄的平整星系盘后分裂成星星。这仅仅只是一种可能,因为正常物质可以电磁波或光的形式来散发热量——散发出来的热量可以防止云体在重力的作用下收缩。然而,关键在于暗物质无法发出光,也就不会失去能量而收缩为一片圆盘,暗物质仍然存在于球体云之中。这就导致了现在的情形:我们的银河系是包裹在暗物质球体云中的一块扁平的旋转恒星星系盘。
但是蓝道尔和同事说他们设想的那种暗物质可以通过一种类似我们的电磁力的力来与自身相互作用。所以,暗物质就可能因发出暗电磁波,或“暗光”,而失去能量。“随后,暗物质可以像正常物质一样坍塌成为一块薄薄的圆盘,”她说,“我们称之为双盘暗物质。”
蓝道尔没有提及所有的暗物质。一个球体云清楚地展示银河系中恒星按轨道运行的速度,所以暗物质中最大的一部分肯定仍然在这里。但是一些暗物质——相比可能存在于可见恒星系盘里的大量的暗物质而言——是可能存在于扁平星系盘里的。
双盘的概念或许可以解释一些反常现象。例如,美国航天局的费米伽马射线太空望远镜发现,有一千三百亿伏特能源的伽马射线从银河系的中心散发出来。这可能可以来解释是否这里存在有一千三百亿伏特暗物质——这大约是同等质量的质子的130倍。那些伽马射线可能是这些暗物质粒子和它们的反粒子湮灭后的产物。
美国航天局的费米伽马射线太空望远镜发现伽马射线,可为丽萨·蓝道尔的新理论提供证据支持(图:美国航天局)
暗物质是在圆形“光晕”中分散存在的,其粒子不能产生足够高的密度以解释这种伽马射线的特征。但,“一旦有双盘,暗物质的新成分密度就更大,也就更容易发现其他粒子并与之一起湮灭。”蓝道尔说。
探知暗物质
现在,有很多实验正尝试着探知飞越地球的暗物质。因为暗物质不和正常物质相互作用,科学家们使用多种多样的原子核——从硅原子到氙原子,从氟原子到碘原子——希望某天突然“看见”一次被暗物质粒子击中的核反冲。
尽管太阳是以相对于暗物质晕220千米/每小时的速度绕银河系中心运行,但大部分的实验都一无所获。“第二个盘是可以随着可见星系旋转的,如果有一些暗物质是在这个盘里,那这就是我们所希望看到的局面了,”麦卡洛说,“暗物质圆盘和正常物质圆盘之间的相对运动将会为零,所以暗物质碰撞上探测器的动作是如此轻以至于难以被发现。”
LUX探测器到目前为止还未成功找到暗物质粒子(图:马特·卡普斯特)
然而,还有一种结果也可以让我们摆脱对双盘的需要。当LUX(大型地下氙气)实验在南达科塔的旧金矿井里一无所获时,CDMS(低温暗物质搜寻)实验在位于明尼苏达州的苏丹矿井里有三处发现,能量都在8到12千电子伏。
这是如何形成的?麦卡洛和蓝道尔说在另一个版本的故事里圆的可能被说成方的。想象处于高能状态下的一个暗物质粒子,在CDMS过程中若它与一个硅核相撞,它便会失去能量,导致核反冲。然而,在LUX实验里,要用相撞过程中无法控制的能量形成这样一个反冲明显不够。
明尼苏达州的低温暗物质搜寻计划(图:费米实验室)
批评者可能会说,暗物质不能解释我们看到的现象,蓝道尔和她的同事也只是在加上些花里胡哨的装饰而已。他们可能会说这只是希腊人的回忆录(希腊人发现他们的行星按圆形轨道运行的理论与数据相悖,就在圆形轨道里再加上圆形轨道,或者说“本轮”,直到它与数据相符。)
“我认为这比加本轮的做法更糟糕,”来自以色列雷霍沃特地区雷兹曼研究所的莫尔德·米尔格龙说,“加入本轮仅仅是为了好玩。”米尔格龙是修正牛顿引力理论思想(MOND)的创始人,MOND主张恒星在螺旋星云中的异常轨道运动不是由于大量看不到的暗物质所产生的引力,而是由于引力比牛顿曾预言过的更加强大。
蓝道尔耸耸肩,表示不介意这些批评。“为了了解暗物质是否和普通物质一样有着更丰富的结构,我们又前进一步,”她说,“我们正在对其中一些暗物质的相互作用做合理假设。”
麦卡洛承认双盘暗物质的想法不能满足奥莱姆的剃须刀原理(奥莱姆的剃须刀(Occam’s razor):由14世纪逻辑学家、圣方济各会修士奥卡姆的威廉(William of Occam)提出的一个原理。在试图了解某事物时,采用必要的信息是获得解释的最快途径,即“如无必要,勿增实体”),该原理说如果有两个互相矛盾的理论,最简单的那个通常是真的。“但是如果暗物质确实是那么复杂该怎么办呢?”他说,“我们无从选择,只能听从自然的安排。”
那么我们如何找到银河系的第二个星系盘的证据呢?“它会影响在太阳周围恒星所受的重力场,”蓝道尔说,“仔细观察他们的移动,可能就会发现星系盘。”
第二个星系盘可能我们的那么厚那么宽,“但是即使两者最初没有对齐,”蓝道尔说,“暗物质星系盘和正常物质星系盘之间的引力牵引也会在很早之前就使他们对齐。”
暗电磁力的存在使得暗物质的亚成分也可进入“影子盘”。由于已知力的黑暗等价物,星系盘可能随后会碎成恒星大小的块状物。“在这些块状物里暗星是否会燃烧将取决于里面能点燃核反应的暗核力的强弱。”
黑暗中的居民?
暗物质构成的影子宇宙可能仅仅和我们所见的宇宙一样复杂?这样的推测很搞笑,实际上它比我们知道的宇宙复杂得多。可能它不止有四个基本力而是有六个。这是不是能解释尽管我们已经花了大半个世纪寻找外星人足迹却仍然一无所获?这是不是正是因为暗物质宇宙更加耐人寻味?如果你来自发达的地外文明,影子宇宙有没有可能正是你的家乡,因为那里正是行动的源泉?“现在就真是在科幻小说的领域了!”麦卡洛笑道。
马库斯·乔恩(Marcus Chown)是前射电天文学家,写过数本书,包括《多美好的世界》。本文首刊于《福克斯》2014年2月刊。
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