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          2. 宇宙是由什么物質組成的?未知的部分統稱暗物質

            [ 錄入者:linq | 時間:2015-08-28 22:29:52 | 作者:晨風 | 來源:新浪科技 | 瀏覽:16456次 ]

            即便是宇宙中最明亮的星系內部也存在著暗物質

            星系之間的相互碰撞為科學家們提供了有關暗物質存在的強烈證據

            星系之間的相互碰撞為科學家們提供了有關暗物質存在的強烈證據

            新浪科技訊  北京時間8月28日消息,據英國廣播公司(BBC)網站報道,設想有一個高級外星文明從另外一個平行宇宙來到我們的宇宙,那么有很大的可能是:他們根本就不會留意到我們的存在。

            其中的緣由是不言自明的:宇宙太大了,而我們生活的小小星球在宇宙面前連一個小小的塵埃都算不上。但實際上,情況可能比這還要更加糟糕:這些外星人甚至可能 連宇宙中所有的恒星以及圍繞它們運行的行星都不會留意到,而那些彌漫在星系空間的巨大氣體塵埃云也恐怕不會引起他們的任何注意。 

            怪人茲威基的“狂想”

            弗里茨·茲威基,最早注意并提出暗物質存在想法的物理學家
            弗里茨·茲威基,最早注意并提出暗物質存在想法的物理學家

            為什么竟然會有這樣的情況?因為所有這些我們所熟悉的事物實際上只占據了宇宙極小的一部分。宇宙中剩下的部分是由其他“東西”構成的,今天科學家們還沒有搞清楚這種物質的本質究竟是什么。

            因為找不到更好的名字,物理學們于是就將這種神秘物質稱作“暗物質”(dark matter)。如果沒有這種神秘物質的存在,宇宙中的星系將分崩離析。盡管沒人知道暗物質的本質究竟是什么,但物理學家們正在對其加緊研究。

            你所見的一切都是由原子構成的——從你自己的身體,到你此刻所處的這顆行星,再到天空中的太陽和所有的星星。而如果更進一步,所有的原子都是由更加細微的粒子,如質子和中子所構成的,而我們現在已經知道即便是質子和中子仍然可以被分出更加細小的結構。

            20世紀初,當物理學家們最初開始了解到原子的結構組成時,他們曾經以為我們即將洞察整個宇宙中一切物質的本質。

            但到了1933年,一位名叫弗里茨·茲威基(Fritz Zwicky)的瑞士天文學家提出了一項在當時看來驚世駭俗主張,他宣稱宇宙的絕大部分應當是由某種完全不同的物質組成的。

            但茲威基并非胡言亂語,他的觀點是有依據的:他計算了在星系群中所有能夠被觀察到的物質的總量,最后發現這些物質的總質量所能產生的引力強度不足以讓整個星系群聚集在一起。

            另外,正如英國杜倫大學的理查德·梅塞(Richard Massey)所言,茲威基還發現他所觀察的那些星系都“轉的太快了”,如果僅僅用它們內部所含的這些物質來計算,那么巨大的離心力應該早就讓它們分崩離析了——宇宙中的每一個星系都像一個旋轉木馬,它們轉動的太快,上面坐著的游客們應該都會飛出去才對!

            正是基于這些觀察,茲威基敏銳地指出,那里必定還存在著其他的物質。這些物質不能被直接觀察到,但卻同樣能夠產生引力作用,從而幫助將星系聚集在一起而不至于被撕碎。他指出,這種無法被觀察到的神秘物質是“黑暗”的。

            然而不幸的是,在當時茲威基普遍被同行們認為是怪人一個,沒人愿意認真對待他的觀點,他的偉大洞察和理論都被擱置一旁,無人問津。梅塞指出:“當時人們的說法常常是這樣的:這是個瘋狂的理論家,他有力沒處使,所有才發明這么一種全新的物質出來了。”

            本超星系團,我們的銀河系也是其中的一部分
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            一切的“正常物質”都是由原子組成的
            一切的“正常物質”都是由原子組成的

            女天文學家魯賓的發現

            于是茲威基的理論便漸漸被遺忘了——直到1970年代。此時一名美國女天文學家維拉·魯賓(Vera Rubin)無意間注意到,那些近距離星系的轉動情況并不符合傳統理論的預計。

            在 我們的太陽系中,行星的運行遵循著一條非常簡單的規則:距離太陽越遠的行星,太陽對其施加的引力作用比較弱,于是它公轉的速度也就比較慢,因此它們一般都 需要很長的時間才能完成一圈公轉。因此符合邏輯的想法便是:這一基本理論當然也應該適用于恒星圍繞星系中心公轉的情況,也就是說那些距離星系中心比較遠的 恒星,由于星系中心對其施加的引力影響較弱,因此它們的公轉速度應該會比較慢一些。

            然而令人意外的情況發生了——魯賓發現不管恒星距離星系中心有多遠,它們圍繞星系中央公轉的速度都是一樣的!

            這樣一來,那些位于星系外側較遠的位置上,也因此受到星系中央引力作用比較弱的恒星就應該會飛走才對,但這種情況卻并沒有發生——一定有某種東西存在在那里,阻止了星系的崩潰——茲威基早在30多年前就已經注意到了這一點。

            現在,天文學家們相信暗物質是構成我們宇宙的基本組成部分,并從宇宙誕生之初就起到了關鍵作用。在大約140億 年前宇宙誕生之初,宇宙經歷了一段急劇膨脹的階段,也就是所謂的暴漲期,此后星系逐漸形成。然而,宇宙這樣的急劇膨脹卻并未將所有星系都甩到遙遠的宇宙角 落里去。這正是因為暗物質起到了聚合劑的作用——盡管我們甚至都根本看不到它們的存在。因此,從某種意義上看,暗物質和風有點像——我們不能直接看到它, 但我們知道它確實存在,并且數量還不少:它占據了整個宇宙組成的25%。

            或許有些讀者會感到困惑,因為有時候我們會說暗物質構成了宇宙中所有物質的80%。這是因為整個宇宙中僅有大約30%的組成是物質,在這其中絕大部分是暗物質。而宇宙中剩下的那70%則不是物質,而是能量。

            星系NGC 2300,科學家們認為它周圍被暗物質圍繞
            星系NGC 2300,科學家們認為它周圍被暗物質圍繞
             
            宇宙星系大尺度網絡結構(紅色)以及空曠的巨洞(藍色)
            宇宙星系大尺度網絡結構(紅色)以及空曠的巨洞(藍色)

            宇宙星系的大尺度結構

            1980年代,人類找到了暗物質存在的一個確鑿證據。1981年,美國哈佛大學的一個由馬克·戴維斯(Marc Davis)博士領銜的團隊進行了首次星系巡天。很快他們便意識到宇宙中的的星系并非均勻分布。用英國杜倫大學卡洛斯·弗蘭克(Carlos Frenk)博士的話來說,星系的分布絕非“像蛋糕周圍的糖衣”那樣均勻。

            與之相反的,很多星系會聚集在一起形成巨大的集團,每一個中都包含了成百上千個星系。而所有這些或細密或稀疏的分布形式便構成了一張錯綜復雜的“宇宙之網”(cosmic web)。而科學家們認為暗物質正是維持這張巨大網絡存在的基礎。

            對比,英國劍橋大學的卡洛琳·克勞福德(Carolin Crawford)作了非常通俗的比喻,她指出,換句話說,暗物質實際上就構成了這個網絡的骨架和核心,而我們所能看到的“普通物質”就“懸掛”在這種骨架上。她說:“我們知道暗物質必須存在于早期宇宙中。它對于物質的聚集是至關重要的,在那之后便逐漸演化出現了我們今日所見的這種結構。”

            弗蘭克回憶,當時這項有關星系集群與大尺度結構的發現引發了轟動,他當時的導師于是便督促他進一步深挖,搞明白星系為何會出現這樣的結構。而當弗蘭克開始這項工作時,他發現有人走在了他的前面。在1980年,一個由魯比莫夫(VA Lyubimov)領導的蘇聯研究組提出了對于暗物質本質的可能解釋。他們認為暗物質可能是由中微子組成的。

            這樣的想法有一定道理。中微子是“暗的”,它們就像是“幽靈粒子”,幾乎不與其他物質發生相互作用。科學家們認為全宇宙中所有的中微子加在一起,它們具有的質量或許可以解釋暗物質的引力影響。

            但這一理論存在著一個問題,那就是:中微子是“熱的暗物質”,這就意味著它們“身材非常輕盈”,因此可以移動地非常快。而當弗蘭克模擬一個充斥著這種“熱的暗物質”的宇宙時,他發現根本行不通。

            弗蘭克表示:“讓我們倍感失望的是,我們發現一個基于這種熱的暗物質的宇宙看起來與真實的宇宙相差太遠。”他說:“那個宇宙看上去很美,但卻并不是我們生活其中的這個宇宙。在那個宇宙中存在著極其巨大的星系集團,而我們知道這樣的情況在真實宇宙中是不存在的。”

            宇宙暗物質分布地圖
            宇宙暗物質分布地圖
             
            哈勃極超深場圖像:宇宙中的星系與星系群
            哈勃極超深場圖像:宇宙中的星系與星系群

            大質量弱相互作用粒子

            科學家們意識到,暗物質必須是“冷的”,并且移動速度很慢。那么接下來的一步就是要確定去哪里找到這種“冷的”暗物質。

            盡管我們并不能直接看到暗物質,但它們的確會通過一種方式彰顯自己的存在:它們施加的引力影響會導致光線傳播路徑的彎曲。這就和光線穿過泳池水或是結了霜的浴室玻璃時發生的情況差不多。

            這種現象被稱作“引力透鏡”,科學家們可以利用這種現象判斷暗物質所在的位置。事實上,利用這項技術,科學家們目前正在積極構建宇宙中暗物質的分布地圖。

            盡管一開始他們只對很小的一部分區域進行了觀測繪圖,但他們雄心勃勃,他們想要對1/8的宇宙空間進行觀測繪制,其中包含數以百萬計的星系。而我們都知道,就以我們的銀河系這一個星系為例,其中就包含了數千億顆恒星,行星的數量則更加難以估計。

            到目前為止,這樣一幅宇宙暗物質地圖還太過粗糙,無法顯示過多的細節。對此,美國宇航局噴氣推進實驗室(JPL)的格雷·佩雷扎魯(Gary Prezeau)打了個比方:這就像是你對于地球上大陸的情況有了一個基本的概念,而現在你所感興趣的則是這些大陸上山脈和湖泊的形狀。

            另外,我們現在對于暗物質在什么地方這個問題至少有了一個非常粗略的認識。然而我們仍然不知道暗物質的本質究竟為何。物理學家們針對這一問題已經提出了幾種 理論,其中最主流的一種觀點認為暗物質是由一種全新的粒子所構成,這種粒子存在于理論預測中,但從未被實際觀測到。物理學家們將其稱作“大質量弱相互作用 粒子”(WIMPs)。

            英國諾丁漢大學的安妮·格林(Anne Green)表示,這種WIMP粒子與我們所感知的世界的每一個方面都關系微弱。首先,它們幾乎不與其他物質發生相互作用,更不用說是我們所見的“正常物質”了。當你撞上一堵墻,你的頭部會與墻壁之間發生碰撞。但當一個WIMP粒子與墻壁相撞或與另外一個WIMP粒子相撞時,基本上它會直接穿過對方,完全不發生任何阻擋,這也是它的名字中“弱相互作用”的由來。

            它的名字中還有第二項內容,那就是“大質量”。盡管我們無法知道這種粒子的外觀大小,但WIMP粒子一定擁有很大的質量。格林指出,這種粒子的質量甚至可以達到質子質量的數百乃至上千倍。

            那么這些假設是否正確呢?問題的關鍵就在這兒:我們不知道。

            而梅塞進一步指出,這里所謂的“大質量弱相互作用粒子”只是一個吸引眼球的說法,但實際上其中可以包含很多種不同的粒子。更加糟糕的是,因為這些粒子太過于難以捉摸,很難開展對它們的探測工作。

            此刻,你可能已經感到灰心喪氣——“他們先是信誓旦旦的說一定存在著一種看不到的物質,然后現在他們又說這種物質一定是由某種新的粒子組成的,但這種粒子又是沒辦法探測到的!真是愚蠢!”的確,你并不是第一個這樣想的人。

            暗物質(紅色),光(黃色)以及星系(藍色),可以看到光線在引力作用下行進路徑發生的扭曲
            暗物質(紅色),光(黃色)以及星系(藍色),可以看到光線在引力作用下行進路徑發生的扭曲
             
            星系內部充滿著暗物質
            星系內部充滿著暗物質

            暗物質根本不存在?

            早在1983年,就有一批物理學家提出,或許所謂的暗物質根本就不存在。相反,他們認為是我們據為經典的引力理論出錯了,這就是為什么我們會認為星系行為怪異的原因——星系根本沒有什么異常,是我們的測量和計算標準出問題了。這種觀點被稱為“MOND”,也就是“修正的牛頓力學”。

            梅塞表示:“我們正在對這些情況進行分析,看看它們如何受到引力作用的影響。當然,假定我們的確理解引力的作用方式的話。或許我們隊引力的理解本身就是錯誤的,那樣的話我們對于宇宙的解讀當然也就跟著出錯了。”

            梅塞指出,MOND理論存在一個嚴重問題就在于,該理論的支持者們不同意主流觀點,但是他們自己又無法提出相應的替代方案。梅塞表示:“任何想要提出全新引力理論的人,他的新理論必須能夠解釋愛因斯坦的相對論能夠解釋的一切現象,在此基礎之上還要能夠解釋暗物質。”

            在2006年,美國宇航局發布了一張經典圖像,在很多人看來這張圖像的公布徹底宣判了MOND理論的死刑。這張圖像拍攝的是兩個巨大星系群之間的相撞場面。表面上看,大多數的物質都很明顯地集中在靠近中心的位置上,因此我們應該可以預期那里是質量最集中的區域。

            但在中心區域外側同樣觀察到光線在引力作用下發生的彎折效應,顯示該區域存在其他形式的物質。這張圖像被歡呼為證明暗物質存在的一個直接證據。如果這是正確的,那么我們便回到了問題開始的地方。現在我們面臨的挑戰便是:找到暗物質,盡管我們根本不知道那究竟是什么。

            探測暗物質“發光”現象

            這聽起來甚至比以前說的“在稻草堆里找繡花針”的說法更加令人沮喪,但事實上科學家們仍然有至少三種方法可以幫助他們最終找到答案。

            第一種方法是在宇宙中搜尋暗物質產生的效應。利用宇宙暗物質分布地圖給出的線索并開展監測,未來或許可以觀察到極其偶發的暗物質粒子碰撞事件。

            在一般情況下,暗物質粒子與正常物質遭遇時會直接穿過對方而不受任何影響。但它們巨大的數量意味著或許在非常偶然的情況下它們會與其他原子的原子核之間發生碰撞。

            當這種情況發生時,暗物質粒子會向原子核施加一個微小的推力,使其像泳池中的小球那樣發生輕微運動。這一過程應當會產生伽馬射線,這是一種能級極高的光。一旦這種極罕見的事例發生——正如弗蘭克所言,就像是“暗物質發光了”。

            對此,格林博士表示:“目前已經存在一些專門的探測計劃,致力于直接檢測這類撞擊事件。”

            在2014年,利用美國宇航局功能強大的費米空間望遠鏡,研究人員宣稱他們檢測到了來自這種撞擊事件的伽馬射線閃光。他們發現我們銀河系內的一個區域似乎存在伽馬射線閃光,器來源或許正是暗物質。

            相關數據基本與模型相吻合,但我們目前仍然需要確認這些伽馬射線是否的確源自暗物質。因為同樣的伽馬射線也有可能由脈沖星或是在恒星衰亡爆發事件中產生。

            暗物質粒子除了可能與正常物質之間發生的撞擊之外,暗物質粒子之間或許也會發生相互碰撞的事件,并且同樣有辦法可以對這種效應進行觀察和檢驗。

            梅塞的小組近期正在對一些相撞的星系進行觀察。他們預期存在于這些星系內部的所有暗物質都應當會毫無阻礙地相互穿過對方。但出乎意料的是他們注意到其中一些暗物質的運動速度似乎降低了,落在了它們所在星系運動軌跡的后方。

            這一現象似乎表明這些暗物質與其他暗物質之間發生了相互作用。梅塞表示:“如果情況的確如此,那么這將是我們獲得的首個證據,證明暗物質雖然與外界幾乎不發生相互作用,但也并非完全絕緣。”

            這是另一個旨在探測暗物質的探測器裝置:DRIFT
            這是另一個旨在探測暗物質的探測器裝置:DRIFT
             
            天爐星系團,如果沒有暗物質的存在,它將分崩離析
            天爐星系團,如果沒有暗物質的存在,它將分崩離析

            用對撞機制造暗物質!

            不過,所有這些方法都存在一個缺點:你不能抓取一些真正的暗物質樣品,然后放在顯微鏡下仔細觀察——畢竟它們的距離太過遙遠,也太過巨大了。

            于是就有了第二種方法:自己制造一些暗物質出來研究!

            盡管聽上去非常瘋狂,但物理學家們真的正在認真考慮利用位于瑞士日內瓦附近的大型強子對撞機(LHC)設備來制造暗物質粒子。

            大型強子對撞機在日常運行過程中會將質子加速到接近光速并使它們相撞。這樣的過程將產生強大的能量,甚至可以擊碎質子,使其分裂成更加細微的組成成分,此時科學家們便可以對這些亞原子粒子的性質進行各項研究工作。

            英國倫多國王學院的物理學家馬爾科姆·法爾布萊恩(Malcolm Fairbairn)指出,在這樣的“終極碰撞”過程中,LHC設備或許可以發現一些新的粒子,比如大質量弱相互作用粒子”(WIMPs)。他說:“如果WIMP粒子的確是組成暗物質的基本粒子,并且我們利用大型強子對撞機發現了這種粒子,那么我們將很有可能最終揭開宇宙中暗物質本質的謎團。”

            然而,如果暗物質并非如理論中預言的WIMP粒子那樣,那么或許大型強子對撞機就不能檢測到它。

            還有另外一種困難。那就是,如果LHC設備真的制造出了一些暗物質,實際上LHC內部的探測器也不一定能夠檢測到這一結果。實際看到的情況可能會是這樣:探測器發現有一束粒子射入,但在另一側卻發現沒有粒子出來。發生這種情況就只有一種可能性,那就是出來的粒子是一種探測器無法檢測到的粒子形式,那么這就很有可能是暗物質粒子。

            去地下深處尋找暗物質!

            而如果這兩種方法都失敗了,物理學家們還有第三種手段:去地球深處尋找答案。

            在一些古老的廢氣礦井和山區的地下深處,科學家們正在對WIMP粒子與正常物質粒子之間可能發生的碰撞事件開展嚴密監測——他們所搜尋的也正是此前美國費米望遠鏡在太空中所記錄到那類伽馬射線閃光事件。

            理論上,每一秒鐘都有數以十億計的暗物質粒子穿過我們的身體。弗蘭克博士表示:“暗物質粒子存在于你的辦公室里,你的房間里,任何地方。每一秒鐘都有數十億個暗物質粒子穿過你的身體,但你毫無察覺。”

            理論上來說,我們應當可以監測到這些撞擊事件中產生的伽馬射線閃光。但問題就在于,存在著其他的干擾因素,比如說宇宙射線,后者會干擾對暗物質粒子產生信號的識別。

            正是由于考慮到上面提及的因素,科學家們將實驗搬到了地下深處,目的就是想要借助厚厚的巖層來阻擋絕大部分的宇宙射線,但暗物質粒子則不會受到影響。

            到目前為止,科學家們基本都同意,那就是我們還尚未通過這類地下探測實驗檢測到任何可能與暗物質粒子有關的閃光事件。2015年8月份有一篇最新發表的文章,其中提到在意大利格蘭薩索國家實驗室進行的XENON100地下探測實驗同樣沒有取得任何有價值的結果。

            此前還發生過幾次誤報事件。該實驗室的另外一個小組在數年前曾經宣稱他們的DAMA 實驗可能已經檢測到暗物質粒子。盡管看上去他們的確好像是發現了什么東西,但大部分物理學家都認為他們發現的應該并非是WIMP粒子。

            最有希望發現這類粒子的設備可能還是在LHC,但僅僅在一處地點發現還不夠。法爾布萊恩表示:“最終,我們將需要通過多種途徑觀測到暗物質,如此我們才能最終確認我們在實驗室中所發現的粒子的確是與存在于星系間的暗物質是相同的對象。”

            就目前而言,當我們仰望夜空,宇宙中的大部分對于我們而言仍然是完全的未知,我們也不清楚這樣的情況究竟還要持續多久。一些宇宙學家——其中也包括弗蘭克——認為人類有希望在未來10年內在這一方面取得一些進展。但另外一些物理學家,包括格林博士,則對此顯得有些悲觀。她認為,如果LHC最終未能取得什么發現,那或許意味著我們根本就找錯了方向。

            今天的我們,距離茲威基最初提出暗物質存在的設想已經過去了幾乎80年,在如此漫長的時間里,我們仍然沒能獲得哪怕最少量的暗物質樣品,甚至未能搞清楚它們究竟是什么東西。

            這是一個強烈的證明,提示我們距離真正理解我們的宇宙還有多遠的距離。我們或許可以理解所有的事情,從宇宙的開端一直到地球上生命的演化。但宇宙的大部分對于我們而言卻仍然是一個完全的黑箱,它的秘密仍然有待未來的人們去揭曉。(晨風)

            Tags:暗物質 宇宙

            責任編輯:linq

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