暗物质是什么
暗物质是一种在物理学领域中被广泛接受的假设性形式的物质,它并不发射或反射足够的电磁辐射以便我们可以直接观察到它。然而,暗物质的存在可以通过它对可见物质、光线以及整个宇宙的引力效应来进行推断。
从20世纪30年代人们首次提出暗物质的概念以来,这种神秘的物质一直是物理学家研究的重点。暗物质被认为占据了我们宇宙中所有物质质量的约85%,而可见物质,包括所有的星系、恒星以及原子,只占剩余的15%.这一理论可以很好的解释星系的旋转曲线、大尺度结构的形成以及宇宙微波背景辐射的无规则性分布等现象。
但是,暗物质具体是什么,目前却没有统一的答案。 物理学家提出了许多理论模型来尝试解释暗物质,其中最受关注的假说是WIMPs(Weakly Interacting Massive Particles弱相互作用庞大粒子)以及轴子(Axions)。这些散布在整个宇宙中的粒子,数量极大,但是和我们生活中的物质互动极弱,几乎无法直接被探测到。物理学家们正在设计和完善更精密的设备,进行地下、地上、甚至空间的实验,来寻找这些暗物质候选粒子的直接证据。
除了暗物质,科学家们还有一个更加深远和复杂的问题需要解答,那就是暗物质和暗能量的关系。不同于暗物质,暗能量是对宇宙加速膨胀的一种假设,关于暗能量的性质和起源,科学家们尚在进行研究。
总的来说,暗物质是目前人类对宇宙中未知现象一种解释,它的存在和性质将对我们理解宇宙的本质,包括宇宙的起源、结构与演化,提供重要的线索。
什么是暗物质?暗物质是充满宇宙但没有人见过的神秘物质
宇宙中超过 80% 的物质是由科学家从未见过的物质组成的。它被称为暗物质,我们只是假设它存在,因为没有它,恒星、行星和星系的行为根本就没有意义。这是我们所知道的,或者更确切地说,是我们认为我们知道的。
什么是暗物质,为什么它是不可见的?
暗物质是完全看不见的。它不发射光或能量,因此不能被传统的传感器和检测器检测到。科学家们认为,其难以捉摸的本质的关键必须在于它的成分。
可见物质,也称为重子物质,由重子组成——重子是质子、中子和电子等亚原子粒子的总称。科学家们只是推测暗物质是由什么构成的。它可以由重子组成,但也可以是非重子,这意味着由不同类型的粒子组成。
大多数科学家认为暗物质是由重子物质组成的。主要候选者 WIMPS(弱相互作用的大质量粒子)被认为具有质子质量的十到一百倍,但它们与“正常”物质的弱相互作用使它们难以被发现。中微子是比中微子更重、更慢的巨大假设粒子,是最重要的候选者,尽管它们尚未被发现。
无菌中微子是另一个候选者。中微子是不构成常规物质的粒子。一条来自太阳的中微子河流,但由于它们很少与正常物质相互作用,它们穿过地球及其居民。
已知有三种中微子;第四种,无菌中微子,被提议作为暗物质候选者。无菌中微子只能通过重力与常规物质相互作用。
密歇根州立大学物理学和天文学副教授、南极洲冰立方中微子天文台的合作者泰斯·德扬告诉太空:“一个悬而未决的问题是,进入每个中微子种类的分数是否存在模式。” .com。
较小的中性轴子和不带电的光子——都是理论粒子——也是暗物质的潜在占位符。
还有反物质这种东西,和暗物质不一样。反物质由与可见物质粒子基本相同但电荷相反的粒子组成。这些粒子称为反质子和正电子(或反电子)。当反粒子遇到粒子时,会发生爆炸,导致两种物质相互抵消。因为我们生活在一个由物质构成的宇宙中,很明显周围没有那么多反物质,否则就什么都没有了。与暗物质不同,物理学家实际上可以在他们的实验室中制造反物质。
但如果我们看不到暗物质,我们怎么知道它的存在呢?答案是重力,由物质构成的物体所施加的力与其质量成正比。自 1920 年代以来,天文学家就假设宇宙必须包含比我们所能看到的更多的物质,因为似乎在宇宙中发挥作用的引力似乎比仅可见物质所能解释的要强。
天文学家在 1970 年代检查螺旋星系时预计会看到中心的物质比外缘移动得更快。相反,他们发现两个位置的恒星以相同的速度行进,这表明星系包含的质量比可见的要多。
对椭圆星系内气体的研究也表明,需要比可见物体更多的质量。如果星系团所包含的唯一质量是常规天文测量可见的质量,它们就会飞散。
不同的星系似乎包含不同数量的暗物质。2016 年前,范多库姆领导的一个团队发现了一个名为蜻蜓 44的星系,它似乎几乎完全由暗物质组成。另一方面,自 2018 年以来,天文学家发现了几个似乎完全没有暗物质的星系。
引力不仅影响星系中恒星的轨道,还影响光的轨迹。著名物理学家阿尔伯特·爱因斯坦在 20 世纪初表明,宇宙中的大质量物体由于其引力而弯曲和扭曲光。这种现象称为引力透镜。通过研究光是如何被星系团扭曲的,天文学家已经能够绘制出宇宙中暗物质的地图。
今天,绝大多数天文学界都承认暗物质的存在。
尽管所有证据都指向暗物质的存在,但也有可能根本不存在这样的东西,并且描述太阳系内物体运动的万有引力定律需要修改。
暗物质似乎以网络状分布在整个宇宙中,在纤维相交的节点处形成了星系团。通过验证引力在我们太阳系内外的作用相同,研究人员为暗物质和暗能量的存在提供了额外的证据。
暗物质从何而来?
暗物质似乎以网状分布在整个宇宙中,在纤维相交的节点处形成了星系团。通过验证太阳系内外的引力作用相同,研究人员为暗物质的存在提供了额外的证据。(事情甚至更复杂,因为除了暗物质之外,似乎还有暗能量,这是一种无形的力量,负责对抗重力的宇宙膨胀。)
但是暗物质从何而来?显而易见的答案是我们不知道。但还是有一些理论。2021 年 12 月发表在《天体物理学杂志》上的一项研究认为,暗物质可能集中在黑洞中,黑洞是通往虚无的强大大门,由于它们的极端引力,它们会吞噬附近的一切。因此,暗物质将与我们今天所看到的宇宙的所有其他构成元素一起 在大爆炸中产生。
白矮星和中子星等恒星残骸也被认为含有大量暗物质,所谓的自有矮星也是如此,这些失败的恒星没有积累足够的物质来启动核聚变.
科学家如何研究暗物质?
既然我们看不到暗物质,那我们真的可以研究它吗?有两种方法可以更多地了解这个神秘的东西。天文学家通过观察宇宙中物质的聚集和物体的运动来研究宇宙中暗物质的分布。另一方面,粒子物理学家正在寻求探测构成暗物质的基本粒子。
安装在国际空间站上的一项名为阿尔法磁谱仪(AMS) 实验可以检测宇宙射线中的反物质。自 2011 一直以来,它已被超过 1000 亿条宇宙射线击中,为了解穿越宇宙的粒子组成提供了迷人的见解。
“我们测量了过量的正电子(电子的反物质对应物),这种过量可能来自暗物质,”AMS 首席科学家、麻省理工学院诺贝尔奖获得者 Samuel Ting 告诉 Space.com。“但目前,我们仍然需要更多数据来确保它来自暗物质,而不是来自一些奇怪的天体物理学来源。这将需要我们再运行几年。”
回到地球上,在意大利的一座山下,LNGS 的 XENON1T正在寻找 WIMP 与氙原子碰撞后的相互作用迹象。
位于南达科他州金矿的大型地下氙暗物质实验(LUX) 也一直在寻找 WIMP 有相互作用的迹象。但到目前为止,该仪器还没有揭示出什么神秘的物质。
IceCube中微子天文台是一个埋在南极冰冻表面下的实验,正在寻找假设的无菌中微子。无菌中微子仅通过重力与常规物质相互作用,使其成为暗物质的有力候选者。
旨在探测难以捉摸的暗物质粒子的实验也在瑞士欧洲核研究组织(CERN) 的强大粒子对撞机中进行。
几个绕地球运行的望远镜正在寻找暗物质的影响。欧洲航天局的普朗克航天器于 2013 年退役,在拉格朗日点2(绕太阳轨道上的一个点,航天器相对于地球保持稳定位置)工作了四年,绘制了宇宙微波背景的分布图,宇宙大爆炸的遗物。这种微波背景分布的不规则性揭示了暗物质分布的线索。
2014 年,美国宇航局的费米伽马射线太空望远镜在伽马射线光下绘制了我们银河系中心的地图,揭示了从其核心延伸出的过量伽马射线辐射。
“我们发现的信号无法用目前提出的替代方案来解释,并且与非常简单的暗物质模型的预测非常一致,”主要作者、伊利诺伊州费米实验室的天体物理学家 Dan Hooper 告诉 Space.com。
研究人员说,过量可以通过质量在 31 到 400 亿电子伏特之间的暗物质粒子的湮灭来解释。结果本身不足以被认为是暗物质的确凿证据。需要来自其他观测项目或直接探测实验的额外数据来验证解释。
经过 30 年的发展,于 2021 年 12 月 25 日发射的詹姆斯韦伯太空望远镜预计也将有助于寻找难以捉摸的物质。世纪望远镜的红外眼睛可以看到时间的开始,无法直接看到暗物质,但通过观察宇宙最初阶段以来的星系演化,有望提供见解这在以前是不可能的。
宇宙中所说“暗物质”是什么?有什么作用?
暗物质是目前理论上预言的一种不发光的神秘物质,目前人类只能通过暗物质的引力作用来间接推测暗物质的存在,近几十年来科学家对暗物质的真实性感到困惑,这也是当今物理学最大的谜团之一。
发现暗物质
在上世纪三十年代,天文学家研究后发座星系团中各星系的运动速度时,发现各星系之间的相对运动速度异常,仅靠星系团中可见星系的引力作用,远远无法维持星系团的稳定,后来天文学家在更多的星系中发现了这一现象,包括我们银河系边缘恒星的绕行速度也高于理论值,似乎有某种神秘力量束缚着天体。
有科学家猜测,引力作用在大尺度范围时需要进行修正,但是经过几十年的研究,绝大部分科学家都放弃了这个观点,目前比较认同暗物质的假设,暗物质是一种不参与电磁相互作用的物质,所以暗物质不发光,也不会反射光线。
在1990年,NASA通过威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)发现,我们宇宙中的暗物质是可见物质的五倍,意味着宇宙中绝大部分物质我们是看不到的,这一结果非常令人震惊。
暗物质是什么?
早期的科学家猜测,暗物质会不会是小质量的黑洞或者其他致密天体?
但是目前并没有证据能支持这个观点,如果暗物质是不可见的致密天体,根据暗物质远多于可见物质的数据,在我们太阳系周围大概率存在这样的致密天体,可事实上并没有发现。
科学家还猜测暗物质可能由某种亚原子粒子构成,比如惰性中微子?轴子?
中微子不参与电磁相互作用和强相互作用,如果存在一种中微子的弱相互作用也很弱的话,就非常接近暗物质的性质,但是目前关于中微子的研究来看,暗物质是中微子的可能性非常低。
粒子物理学还预言了一种亚原子粒子——“轴子”,轴子质量小于电子质量的百万分之一,现代物理学中,轴子是暗物质的主要候选者之一,但是由于轴子实在太小了,目前有关轴子的研究主要存在理论上。
暗物质和暗能量的关系
现代天文学中,我们经常听到这两个很相近的名词,实际上暗物质和暗能量并没有直接联系,暗物质是为了解释大尺度引力作用异常假设的,而暗能量是为了解释宇宙膨胀假设的,使用“暗”来描述,仅作为一个占位符,因为对人类目前来说还是谜团。
宇宙中所说“暗物质”是什么?有什么作用?
提到暗物质,就得了解暗物质与暗能量它们两者之间的关系。暗物质和暗能量是组成宇宙物质的基础。众所周知,我们的世界是由物质构成的,在宇宙学中,暗物质是指那些自身不发射电磁辐射,也不与电磁波相互作用的一种物质。人类目前只能通过引力产生的效应得知宇宙中有大量暗物质的存在。暗物质存在的最早证据来源于对球状星系旋转速度的观察。
生活中所有的存在都是物质,例如空气、水和食物,甚至连人体本身也是物质,除了这些实际存在的物品之外,光和电磁场等一些射线也是物质。而我们人类所知道的,只占了不到宇宙的5%,在剩下的部分里,暗物质占了25%,暗能量占了70%,这也从侧面反映出我们人类对宇宙的认知少之又少,同时也让我们深思暗物质、暗能量到底是什么?它们有什么作用呢?
暗能量是驱动宇宙运动的一种能量,它和暗物质都不会吸收反射光或者辐射光,所以人类无法直接使用现有的技术进行观测。大约在20年前一项研究表明,我们的宇宙正在不断膨胀,而它的速率不是恒定或者减慢的,而是在始终的加速。早在1929年爱得文·哈勃就检测到了遥远星系发射光的波长,是如何在空间中旅行时转变成电磁波谱的远红端的,他通过研究发现越遥远的星系就会出现很大程度的红移,反而越近的清晰并没有那么多。哈勃因此可以确定,这是因为宇宙自身正在膨胀,红移的发生因为光的波长随着宇宙膨胀而被拉长,这些研究都在向我们显示暗能量的密度,可能是一种宇宙常量;而真空提供了宇宙膨胀的动力。
甚至部分研究学者认为暗能量吞噬暗物质,可以作为宇宙加速膨胀的解释。因为人类对宇宙的研究表明暗物质就像胶水一样,它可以把所有的物质连接在一起,如今一部分的暗物质正在消失,而导致它们消失的原因,很可能就是暗能量。
当然不是所有的学者都赞同这一猜想,自20世纪90年代以来,天文学界就对这一问题争论不休,但到目前为止并没有什么办法来证实任何的猜想,显然对于宇宙真相的认知人类还差之甚远。
中国科学院理论物理研究所研究员李淼曾经半开玩笑的表示,有多少暗能量专家就有多少暗能量模型。所以有很多关于暗能量的构想,其中一种猜测,暗能量不是一个东西,而是空间的一个属性,这个想法非常接近于爱因斯坦在1917年提出的关于宇宙常数的概念。
到目前为止人类对爱能量的认知仍停留在理论层面,但按能量不仅对整个宇宙有着影响,而且还能操控宇宙居民,引导恒星星系以及星系团的引发进程,暗能量的无处不在,反而让人很难意识到它的存在,不论是在家里的厨房,还是在星际空间中,暗能量的密度完全一样,只有在巨大的空间尺度和时间跨度上才能体现出暗能量影响力,真空的环境里本身就不空,那里面都有什么呢?暗物质、暗能量,让我们拭目以待吧。
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