天文小科普:神秘的暗物质

宇宙至少由两种物质构成。第一种是我们可以探测到的物质,天文学家称之为“重子”物质。它被认为是“普通”物质,因为它是由可以测量的质子和中子组成的。重子物质包括恒星和星系,以及它们所包含的所有物体。

宇宙中还有一些“东西”是无法通过正常的观测手段探测到的。然而,它确实存在——因为可以测量出它对重子物质的引力作用。天文学家称这种物质为“暗物质”,因为它隐藏在黑暗中,无法直接被探测到。它不反射也不发射光。这种神秘的物质形式对我们了解宇宙提出了重大挑战,对它的研究可以追溯到137亿年前的宇宙之初。

暗物质的发现

几十年前,天文学家发现宇宙中没有足够的质量来解释星系中恒星的旋转和星团的运动。质量影响着一个物体在空间中的运动,无论是星系、恒星还是行星。一些星系旋转的方式似乎在暗示某个地方有更多的质量。天文学家无法直接探测到这些神秘的隐藏质量。当他们用恒星和星云推测一个星系的质量时,意外发现“质量好像少了”。维拉·鲁宾博士和她的团队在观测星系时发现了端倪,这是天文学家第一次注意到预期的旋转速率(基于估计的星系质量)和实际观测速率之间存在差异。

研究人员开始进行深入研究,以找出“质量不够”的原因。他们认为,这可能是对物理学,即广义相对论的理解存在偏差,但太多其他现象又不足以支持这个观点。所以,他们断定,也许不存在“质量少了”,而是我们无法观测到这些神秘的质量。

虽然我们仍然有可能对引力理论的理解不够全面正确,但第二种解释更容易让人接受。暗物质的想法从此萌生。在星系周围有关于暗物质的观测证据,理论和模型都指出了暗物质参与了宇宙的早期形成。所以,天文学家和宇宙学家一致同意它就藏在宇宙中,但它究竟是什么,还没有人能给出明确的解释。

冷暗物质

那么,暗物质是什么呢?到目前为止,科学家只给出了它的理论模型。它们实际上可以分为三大类:热暗物质(HDM)、暖暗物质(WDM)和冷暗物质(CDM)。

在这三类中,CDM长期以来一直是宇宙中缺失物质的主要候选者。但,一些研究人员仍然支持一种组合理论,即所有三种类型的暗物质共同存在,以弥补总质量的缺失。

如果CDM存在的话,与光速相比,它移动得很慢。科学家认为它从一开始就存在于宇宙中,并很可能影响了星系的生长和演化,以及第一批恒星的形成。天文学家和物理学家认为它很可能是某种尚未被探测到的外来粒子。它很可能有一些非常特殊的性质。

因为暗物质是黑暗的,显然,它无法与电磁力相互作用。因此,它不会与电磁波谱中的任何类型的能量发生相互作用、反射或辐射。

然而,任何组成冷暗物质的候选粒子都会与引力场发生相互作用。天文学家们已经多次观测到“引力透镜效应”,星系团中暗物质的积累会对恰好经过的更遥远的天体的光产生引力影响。这些现象证实了“组成冷暗物质的候选粒子都会与引力场发生相互作用”的猜想。

组成冷暗物质的可能粒子

虽然没有已知物质满足冷暗物质的所有标准,但至少有三种理论可以解释CDM(如果它们存在的话)。

大质量弱相互作用粒子:也被称为wimp,这些粒子的定义满足了CDM的所有需求。然而,科学家还未发现它。不考虑粒子产生原因的角度下,大质量弱相互作用粒子成为冷暗物质候选粒子的首选。

轴子:这些粒子拥有暗物质的必要属性(至少在一定程度上),但由于种种原因,它们可能不是冷暗物质问题的答案。

MACHOs(大质量致密晕星):这个词是大质量致密晕星的缩写,大质量致密晕星是指黑洞、古代中子星、褐矮星和行星等天体。这些都是不发光且质量大的星体。但是,由于它们的体积和质量都很大,通过监测定域引力相互作用,很容易探测到它们。MACHO的假设也存在争议。因为观测到的星系运动在某种程度上是均匀的,而MACHOs是丢失的质量,这似乎存在矛盾。此外,星团在其边界内非常均匀地分布天体似乎是非常不可能的。另外,MACHOs的绝对数量必须相当大才能解释失踪的质量。

目前,暗物质之谜还没有一个肯定的解释。天文学家还在继续设计实验来寻找这些难以捉摸的粒子。当他们弄清楚它们是什么以及它们是如何分布在整个宇宙中的时候,将开启人类理解宇宙的新篇章。

作者: John P. Millis, Ph.D

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