浅谈宇宙构成中的暗物质(下)

2019-11-07 13:13:30

在我的文章《谈论暗物质比普通物质多五倍(第一部分)》(见2019年9月6日《大众科学时报》第三版)的结尾,我说瑞士天文学家弗里茨·兹维基发现宇宙中一定有我们无法透过“质光比”(即质光比)看到的质量。因此,兹韦契是第一个将这种看不见的物质命名为“暗物质”的人,这也是暗物质名称的由来。

目前,科学家观察到的星系的质轻比几乎都大于太阳。此外,通过测量星系的旋转曲线,它们中的大多数类似于银河系。他们都在后半部分离中心更远的位置。它的速度不会下降,但趋于稳定。这表明,如果牛顿的理论是正确的,那么暗物质无处不在,我们的银河系不是一个例子。现在越来越多的观察表明牛顿的理论没有问题。

例如,2018年,哈勃太空望远镜发现了df2星系。通过测量这个星系的旋转曲线,科学家发现这与牛顿理论预测的一样,即先上升,后下降,表明暗物质可能不存在(或至多少量存在)。2019年4月,科学家再次发现df4星系,仿佛没有暗物质,这表明牛顿的理论的确是正确的,至少它可以合理地解释一些星系的行为。

然而,也正因为如此,暗物质吸引了科学界越来越多的关注。

论宇宙构成中的暗物质(下)

-谈论占宇宙组成中普通物质五倍以上的暗物质

文|陈思进

如果暗物质真的存在,它有什么特征?

它能提供引力,因为引入暗物质是为了解决引力损失问题(注:这与暗能量相反,将在另一篇文章中详细讨论),也就是说,暗物质必须参与引力。

看不见,如果能看见,那就不是“黑暗”物质。那你为什么看不见?科学家怀疑这是因为暗物质不参与电磁相互作用,也就是说,它不能像透明一样发光、反射光或吸收光。

在这里写作时,一些读者可能会问,既然暗物质看不见也摸不着,科学家们能测试一下吗?

现在让我们介绍重力透镜效应。

根据广义相对论,当背景光源发出的光通过重力场(如星系、星系团和黑洞)附近时,光会像透镜一样弯曲。光弯曲的程度主要取决于重力场的强度。分析背景光源的畸变有助于研究引力场作为“透镜”的性质。根据不同的尺度和效应,引力透镜效应可以分为强引力透镜效应和弱引力透镜效应。

从数学角度来看,面质量密度(k)大于1,这被定义为强引力透镜面积,小于1是弱引力透镜面积。通常,多个背景源的图像可以在强透镜区域形成,甚至是圆弧(也称为“爱因斯坦环”)。而弱透镜区域产生相对较小的失真。通过分析爱因斯坦环的曲率和多幅图像的位置,强透镜法可以估计出测量透镜的天体质量。弱透镜法可以通过对大量背景源图像的统计分析来大规模估计天体的质量分布,被认为是宇宙学中测量暗物质的最佳方法。

以上段落可能很难理解,让我打个比方来说明一下。

如果我的手是一个巨大的天体,当光穿过这个巨大的天体时,它会遵循一个弧线。如前所述,根据广义相对论的预测,大质量天体将弯曲时空,光在测地线上传播。因此,光似乎会像透镜一样偏转。如果我的手在中间,你看到的可能是一个戒指——“爱因斯坦戒指”;也可能有四幅图像——“爱因斯坦十字”或“爱因斯坦弧”等。

然而,问题是有时我们可以看到有一个环或一个十字的遥远天体的图像。通过计算,我们会发现用于中间成像的巨大天体或星系质量往往严重不足。如果我们能看到这个质量,这还不足以引起如此强烈的引力透镜现象。

因此,有了引力透镜,科学家可以说我们已经找到了直接证据来证明暗物质的存在以及如何测量它。

让我们再猜一次暗物质粒子是什么:它是一个小黑洞吗,看不见,足够大吗?然而,这似乎是不可能的。因为小黑洞寿命很短,会爆炸。那么,它会是一个相对稳定的、不发光的、密度极高的天体吗?比如中子星和白矮星?然而,经过科学家的研究,发现它们不足以弥补所有损失的质量,只有很小的一部分。因此,它们不能被归类为暗物质。

科学家认为暗物质粒子只能是标准粒子模型之外的粒子,并做出了预测。根据粒子的速度(即温度),暗物质可以分为三种模型:热暗物质、暖暗物质和冷暗物质。后来,对宇宙大规模结构的研究倾向于解释宇宙主要是冷暗物质。

顺便说一句,暗物质是当代科学的前沿,对其他理论也有不同的解释。例如,一些弦理论物理学家认为暗物质可能是弦的高频振动:我们身体的每一个原子代表了我们身体每一次振动的“橡皮筋”所带来的最低八度音阶。这些“橡皮筋”也可以有更高的刻度。这些更高的八度音阶可能是暗物质。

那么,在这个宇宙中,比普通物质大五倍以上的暗物质到底是什么?目前,据科学家所知,弱作用粒子是暗物质粒子的最佳候选者(这可能会在另一篇文章中详细讨论)。

最后,可以说,在暗物质领域,只要我们能提出令人信服的、实验上可验证的理论,比如解释暗物质到底是什么起源的科学家,就会有一系列诺贝尔奖等着你。来吧。

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