转载 什么是暗物质 图文

转载 什么是暗物质 图文 [转载]什么是暗物质(图文) 2011年11月03日 什么是暗物质(图文) 分类: 宇宙时空 2010-11-27 02:13 第1课 什么是暗物质 如果人类待在海底，那么可以清楚的看见鱼类礁石珊瑚沙子等等，唯独看不见水，而水是物质;我们进入空气中，可以清楚的看见动物植物和万物，但是往往忽略了空气，而空气是物质;如果我们进入太空，可以看见日月星辰和宇宙天体，但是唯独看不见“暗物质”，所以暗物质是存在宇宙的, 其实很多物理学家并不接受暗物质理论，认为宇宙一直是真空状态的,我们看见的水面实际是水和空气的交接面;我们离开大气层看见的地球空气面(低太空轨道)实际是空气与真空的交接面。而宇宙真空暗物质没有交接面，所以长期不能被“发现”, 资料:暗物质是指成分不明的猜测性的物质粒子。它的电磁辐射放射和折射非常微弱，所以不能被直接探测到。它的存在只能通过与可见物质如恒星或星系的引力作用来间接地证明。 宇宙中只有4%的物质是可见的，而大约23%是由暗物质组成的。其余73%则被认为是由一种弥散的、可能不能被认为是通常粒子的奇怪成分—暗能量组成的,宇宙中85-90%的质量不带有电磁相互作用。这些暗物质只通过引力作 用而显现它们的存在。以下是人们提出的一些不同类型的暗物质:热暗物质、温暗物质、冷暗物质、重子暗物质。 暗物质三维地图，可见光波段观测这个区域时，可以发现明显的“引力透镜”现象，也就是更遥远地方恒星发出的光在“路过”这个区域时，被大质量物质吸引而发生了扭曲。这个现象可以证明两个星系团周围存在大量的暗物质。 哈勃望远镜:左边是普通物质，右边是暗物质。 几十年前，暗物质刚被提出来时仅仅是理论的产物，但是现在我们知道暗物质已经成为了宇宙(不一定要说宇宙这词汇)的重要组成部分。暗物质的 ，同时更重要的是，暗总质量是普通物质的6倍，在宇宙能量密度中占了1/4 物质主导了宇宙结构的形成。暗物质的本质现在还是个谜，但是如果假设它是一种弱相互作用亚原子粒子的话，那么由此形成的宇宙大尺度结构与观测相一致。不过，最近对星系以及亚星系结构的分析显示，这一假设和观测结果之间存在着差异，这同时为多种可能的暗物质理论提供了用武之地。通过对小尺度结构密度、分布、演化以及其环境的研究可以区分这些潜在的暗物质模型，为暗物质本性的研究带来新的曙光。 大约65年前，第一次发现了暗物质存在的证据。当时，弗里兹?扎维奇(Fritz Zwicky)发现，大型星系团中的星系具有极高的运动速度，除非星系团的质量是根据其中恒星数量计算所得到的值的100倍以上，否则星系团根本无法束缚住这些星系。之后几十年的观测分析证实了这一点。尽管对暗物质 的性质仍然一无所知，但是到了80年代，占宇宙能量密度大约20%的暗物质以被广为接受了。 在引入宇宙暴涨理论之后，许多宇宙学家相信我们的宇宙是平直的，而且宇宙总能量密度必定是等于临界值的(这一临界值用于区分宇宙是封闭的还是开放的)。与此同时，宇宙学家们也倾向于一个简单的宇宙，其中能量密度都以物质的形式出现，包括4%的普通物质和96%的暗物质。但事实上，观测从来就没有与此相符合过。虽然在总物质密度的估计上存在着比较大的误差，但是这一误差还没有大到使物质的总量达到临界值，而且这一观测和理论模型之间的不一致也随着时间变得越来越尖锐。 当意识到没有足够的物质能来解释宇宙的结构及其特性时，暗能量出现了。暗能量和暗物质的唯一共同点是它们既不发光也不吸收光。从微观上讲，它们的组成是完全不同的。更重要的是，象普通的物质一样，暗物质是引力自吸引的，而且与普通物质成团并形成星系。而暗能量是引力自相斥的，并且在宇宙中几乎均匀的分布。所以，在统计星系的能量时会遗漏暗能量。因此，暗能量可以解释观测到的物质密度和由暴涨理论预言的临界密度之间70-80%的差异。之后，两个独立的天文学家小组通过对超新星的观测发现，宇宙正在加速膨胀。由此，暗能量占主导的宇宙模型成为了一个和谐的宇宙模型。最近威尔金森宇宙微波背景辐射各向异性探测器(Wilkinson Microwave Anisotrope Probe，WMAP)的观测也独立的证实了暗能量的存在，并且使它成为了模型的一部分。 暗能量同时也改变了我们对暗物质在宇宙中所起作用的认识。按照爱 的广义相对论，在一个仅含有物质的宇宙中，物质密度决定了宇宙的几因斯坦 何，以及宇宙的过去和未来。加上暗能量的话，情况就完全不同了。首先，总能量密度(物质能量密度与暗能量密度之和)决定着宇宙的几何特性。其次，宇宙已经从物质占主导的时期过渡到了暗能量占主导的时期。大约在"大爆炸"之后的几十亿年中暗物质占了总能量密度的主导地位，但是这已成为了过去。现在我们宇宙的未来将由暗能量的特性所决定，它目前正时宇宙加速膨胀，而且除非暗能量会随时间衰减或者改变状态，否则这种加速膨胀态势将持续下去。 不过，我们忽略了极为重要的一点，那就是正是暗物质促成了宇宙结构的形成，如果没有暗物质就不会形成星系、恒星和行星，也就更谈不上今天的人类了。宇宙尽管在极大的尺度上现出均匀和各向同性，但是在小一些的尺度上则存在着恒星、星系、星系团、巨洞以及星系长城。而在大尺度上能过促使物质运动的力就只有引力了。但是均匀的物质不会产生引力，因此今分布 天所有的宇宙结构必然源自于宇宙极早期物质的微小涨落，而这些涨落会分布 在宇宙微波背景辐射(CMB)中留下痕迹。然而普通物质不可能通过其自身的涨落形成实质上的结构而又不在宇宙微波背景辐射中留下痕迹，因为那时普通物质还没有从辐射中脱耦出来。 另一方面，不与辐射耦合的暗物质，其微小的涨落在普通物质脱耦之前就放大了许多倍。在普通物质脱耦之后，已经成团的暗物质就开始吸引普通物质，进而形成了我们现在观测到的结构。因此这需要一个初始的涨落，但是它的振幅非常非常的小。这里需要的物质就是冷暗物质，由于它是无热运动的非相对论性粒子因此得名。 在开始阐述这一模型的有效性之前，必须先交待一下其中最后一件重要的事情。对于先前提到的小扰动(涨落)，为了预言其在不同波长上的引力效应，小扰动谱必须具有特殊的形态。 为此，最初的密度涨落应该是标度无关的。也就是说，如果我们把能量分布分解成一系列不同波长的正弦波之和，那么所有正弦波的振幅都应该是相同的。暴涨理论的成功之处就在于它提供了很好的动力学出发机制来形成这样一个标度无关的小扰动谱(其谱指数n=1)。WMAP的观测结果证实了这一预言，其观测到的结果为n=0.99?0.04。 但是如果我们不了解暗物质的性质，就不能说我们已经了解了宇宙。现在已经知道了两种暗物质--中微子和黑洞。但是它们对暗物质总量的贡献是非常微小的，暗物质中的绝大部分现在还不清楚。这里我们将讨论暗物质可能的候选者，由其导致的结构形成，以及我们如何综合粒子探测器和天文观测来揭示暗物质的性质。 长久以来，最被看好的暗物质仅仅是假说中的基本粒子，它具有寿命长、温度低、无碰撞的特性。寿命长意味着它的寿命必须与现今宇宙年龄相当，甚至更长。温度低意味着在脱耦时它们是非相对论性粒子，只有这样它们才能在引力作用下迅速成团。由于成团过程发生在比哈勃视界(宇宙年龄与光速的乘积)小的范围内，而且这一视界相对现在的宇宙而言非常的小，因此最先形 成的暗物质团块或者暗物质晕比银河系的尺度要小得多，质量也要小得多。随着宇宙的膨胀和哈勃视界的增大，这些最先形成的小暗物质晕会合并形成较大尺度的结构，而这些较大尺度的结构之后又会合并形成更大尺度的结构。 其结果就是形成不同体积和质量的结构体系，定性上这是与观测相一致的。相反的，对于相对论性粒子，例如中微子，在物质引力成团的时期由于其运动速度过快而无法形成我们观测到的结构。因此中微子对暗物质质量密度的贡献是可以忽略的。在太阳中微子实验中对中微子质量的测量结果也支持了这一点。无碰撞指的是暗物质粒子(与暗物质和普通物质)的相互作用截面在暗物质晕中小的可以忽略不计。这些粒子仅仅依靠引力来束缚住对方，并且在暗物质晕中以一个较宽的轨道偏心律谱无阻碍的作轨道运动。 低温无碰撞暗物质(CCDM)被看好有几方面的原因。第一，CCDM的结构形成数值模拟结果与观测相一致。第二，作为一个特殊的亚类，弱相互作用大质量粒子(WIMP)可以很好的解释其在宇宙中的丰度。如果粒子间相互作用很弱，那么在宇宙最初的万亿分之一秒它们是处于热平衡的。之后，由于湮灭它们开始脱离平衡。根据其相互作用截面估计，这些物质的能量密度大约占了宇宙总能量密度的20-30%。这与观测相符。CCDM被看好的第三个原因是，在一 些理论模型中预言了一些非常有吸引力的候选粒子。 其中一个候选者就是中性子(neutralino)，一种超对称模型中提出的粒子。超对称理论是超引力和超弦理论的基础，它要求每一个已知的费米子都要有一个伴随的玻色子(尚未观测到)，同时每一个玻色子也要有一个伴随的费米子。如果超对称依然保持到今天，伴随粒子将都具有相同的质量。但是由于在宇宙的早期超对称出现了自发的破缺，于是今天伴随粒子的质量也出现了变化。而且，大部分超对称伴随粒子是不稳定的，在超对称出现破缺之后不久就发生了衰变。但是，有一种最轻的伴随粒子(质量在100GeV的数量级)由于其自身的对称性避免了衰变的发生。在最简单模型中，这些粒子是呈电中性且弱相互作用的--是WIMP的理想候选者。如果暗物质是由中性子组成的，那么当地球穿过太阳附近的暗物质时，地下的探测器就能探测到这些粒子。另外有一点必须注意，这一探测并不能说明暗物质主要就是由WIMP构成的。现在的实验还无法确定WIMP究竟是占了暗物质的大部分还是仅仅只占一小部分。 另一个候选者是轴子(axion)，一种非常轻的中性粒子(其质量在1μeV的数量级上)，它在大统一理论中起了重要的作用。轴子间通过极微小的力相互作用，由此它无法处于热平衡状态，因此不能很好的解释它在宇宙中的丰度。在宇宙中，轴子处于低温玻色子凝聚状态，现在已经建造了轴子探测器，探测工作也正在进行。 由于综合了低温无碰撞暗物质(CCDM)，标准模型在数学上是特殊的，尽管其中的一些参数至今还没有被精确的测定，但是我们依然可以在不同的尺度上检验这一理论。现在，能观测到的最大尺度是CMB(上千个Mpc)。CMB的观测显示了原初的能量和物质分布，同时观测也显示这一分布几近均匀而没有结构。下一个尺度是星系的分布，从几个Mpc到近1000个Mpc。在这些尺度上，理论和观测符合的很好，这也使得天文学家有信心将这一模型拓展到所有的尺度上。 然而在小一些的尺度上，从1Mpc到星系的尺度(Kpc)，就出现了不一致。几年前这种不一致性就显现出来了，而且它的出现直接导致了"现行的理论是否正确"这一至关重要的问题的提出。在很大程度上，理论工作者相信，不一致性更可能是由于我们对暗物质特性假设不当所造成的，而不太可能是标准模型本身固有的问题。首先，对于大尺度结构，引力是占主导的，因此所有的计算都是基于牛顿和爱因斯坦的引力定律进行的。在小一些的尺度上，高温高密物质的流体力学作用就必须被包括进去了。 其次，在大尺度上的涨落是微小的，而且我们有精确的方法可以对此进行量化和计算。但是在星系的尺度上，普通物质和辐射间的相互作用却极为复杂。在小尺度上的以下几个主要问题。亚结构可能并没有CCDM数值模拟预言的那样普遍。暗物质晕的数量基本上和它的质量成反比，因此应该能观测到许多的矮星系以及由小暗物质晕造成的引力透镜效应，但是目前的观测结果并没有证实这一点。而且那些环绕银河系或者其他星系的暗物质，当它们合并入星系之后会使原先较薄的星系盘变得比现在观测到得更厚。 暗物质晕的密度分布应该在核区出现陡增，也就是说随着到中心距离的减小，其密度应该急剧升高，但是这与我们观测到的许多自引力系统的中心区域明显不符。正如在引力透镜研究中观测到的，星系团的核心密度就要低于 由大质量暗物质晕模型计算出来的结果。普通旋涡星系其核心区域的暗物质比预期的就更少了，同样的情况也出现在一些低表面亮度星系中。矮星系，例如银河系的伴星系玉夫星系和天龙星系，则具有与理论形成鲜明对比的均匀密度中心。流体动力学模拟出来的星系盘其尺度和角动量都小于观测到的结果。在许多高表面亮度星系中都呈现出旋转的棒状结构，如果这一结构是稳定的，就要求其核心的密度要小于预期的值。 可以想象，解决这些日益增多的问题将取决于一些复杂的但却是普通的天体物理过程。一些常规的解释已经被提出来用以解释先前提到的结构缺失现象。但是，总体上看，现在的观测证据显示，从巨型的星系团(质量大于10^15个太阳质量)到最小的矮星系(质量小于10^9个太阳质量)都存在着理论预言的高密度和观测到的低密度之间的矛盾。 第2课 描绘暗物质分布图 十多年以来，天文学家们认为宇宙中百分之九十的物质是不可见的，它们“失踪”了。然而，暗物质在宇宙结构的演化起着关键作用，所以证实这些“暗物质”的存在，是我们理解宇宙的至关重要的一步。现在关于暗物质的本原有许多理论，每一种对其在宇宙中分布的预言不尽相同，(下左图是依照最近一个较为流行的理论预言所绘制的跨越1亿光年的暗物质结构图)。如果知道暗物质的实际分布情况，就能够帮我们进一步理解暗物质、理解宇宙。但是暗物质是“透明”的，不发射光线;那么我们怎们才能看到它们，了解它们的分情况呢, 布 贝尔实验室的科学家们创造了一种方法，用来给暗物质结构画幅图。贝尔实验室的这套摄像和软件技术，叫做“‘引力透镜’质量分布绘图术”(gravitational lens mass tomography)，给我们开启了一扇观察宇宙的新窗口。它被用来研究宇宙中众多区域的暗物质聚集程度——从星系团周围的大质量的星系晕，到距地球30到60亿光年的大尺度暗物质结构演化。 不管物质“暗”不“暗”，只要它有质量，光线就会依照其周围的引力场改变光路。如左图所示，有时来自背景星系的光线被弯曲得很厉害，因而就会在前景大质量星系团的周围看到其多个像，这就被称为“强引力透镜”现象。而科学家们就是依照背景星系光线被弯折的程度，来计算前景星系的质量分布，从而绘出暗物质分布图。贝尔实验室应用电荷耦合器件(CCD)技术，并利用哈勃太空望远镜 (HST)拍摄的遥远星系团的“宇宙蜃楼”图片(左图)，构造了一幅高解析度的此星系团的暗物质分布图。右图就是一张分布图，它清晰地向我们展示了到底有多少暗物质附于星系，有多少匀称地分布于整个星系团之中。 这种效应实际上难得一见，而很巧的是，一个遥远的星系恰处于星系团CL0024+1654(双鱼座，距我们20亿光年)背后的一个非常“好”的位置上，也就形成了背景星系的多重象。在上左图中，背景蓝星系有5个象。而象主要是由星系团中所有暗物质的合作用形成的，而在这些象附近的星系会添上自己的一份分效应。科学家们是怎么知道象主要是由暗物质引起的，而非 各个星系呢,其实，科学家们应用计算机对于上百万种质量分布情况进行模拟，然后和哈勃望远镜的这张图片进行比较，只有正确的质量分布才能符合哈勃图片显示的情形。这样来探测质量分布相当敏锐，左图就是以“等高线”的方式来显示星系团中的质量分布，结果表明，大部分暗物质都较为均匀地广布于达一百六十万光年尺度的星系团之中;在这广博的暗物质质量之渊中，单个星系的质量不过是其中的一滴 —— 这个星系团中所有星系中恒星质量的总和仅为所有暗物质质量的二百五十分之一～也就是说，星系团中大部分质量也并非附于星系周围。右图是一幅模拟图，表明如果大部分质量附于星系的情况，显然与哈勃的照片严重不符。 由于当代的大型望远镜都配备有CCD，天文学家们得以探测更加微弱的光线。他们发现天空中布满了数十亿光年远的蓝星系;而任何地前景暗物质团都会使这张“蓝地毯”泛起皱褶，这被称为“弱引力透镜”效应(比如遥远的圆形星系由于弱引力透镜扭曲，会看起来是椭圆的)。利用这些星系象的扭曲，科学家们也可以构造出幅幅暗物质分布图。为了探索这些暗物质的分布，Tony Tyson和Gary Bernstein专门制做出一块大视场CCD(左图)—— 这是由四块一千六百万象素的CCD拼合而成，有127毫米宽。过去三年里，这个“海量相机”(Big Throughput Camera)，被放置于智利托洛洛山美洲天文台的四米望远镜的主焦点上。它拍出一张张1度大小天区的彩色图片，其中加起来共含有400，000暗星系。在配合功能强大的自适应光学软件，才制出了最后的图片。 左图是其中一张图片的局部放大，是一个星系团。中图是同一个天区的一张一度大小的彩色照片。右图就是这同一天区的暗物质分布图。 暗物质分布图正在帮助我们筛选关于暗物质本原的理论。而且，宇宙中总体物质质量的多少，会决定宇宙将继续膨胀，还是会收缩，还是已经收缩了。将来，一旦科学家们绘制好大量的暗物质三维分布图，我们就可以在其引导下更深入地理解宇宙的起源、演化及其今后的命运。就像贝尔实验室的Tyson开玩笑所说的的那样，“‘暗’物质将会有一个光明的未来。” 第3课 揭开暗物质的神密面纱 一队来自世界各地的天文学家近日来第一次地直接观测了暗物质。 NASA的哈勃太空望远镜(HST)和欧洲南方天文台地甚大望远镜(VLT)共同拍摄到了一个晕族大质量致密天体(Macho)微引力透镜的光谱和照片，这个微引力透镜是邻近的一颗矮星引起的，它将另外一个星系中一颗恒星的光聚焦了。 所以，认为暗物质的大部分是以小而暗的恒星存在于星系中的这个理 论，得到了强有力的支持。 暗物质的性质，至今仍然是天体物理领域中一个不解的谜团。对星系团和大尺度的观测向我们表明:也许，宇宙中不过1/4的物质是我们平时所见到的原子和分子组成的。而在这些物质内，只有1/4的物质能够放出我们能够觉察到的辐射。所以，宇宙的大部分对我们来说是暗的，我们同样也不了解它的组成。 在过去的十年中，为了寻找暗物质的候选人，人们花费了不少的力气。一个可能就是，暗物质是由弱相互作用大质量亚粒子组成的，也就是平时所说的WIMP。另外一种可能就是，暗物质是由晕族大质量致密天体(Macho)组成的，例如已经死亡或者正在死亡的恒星(中子星或者冷的矮星)。各种黑洞和行星大小的石块、冰。 1986年，Bohdan Paczynski意识到，如果暗物质是以Macho形式存在的话，那么，我们就可以用它对远距离星光的引力作用来判断它的存在。 如果银河系中的一个Macho经过另外一个邻近星系中的背景星，那么，Macho的引力将使得背景星的星光弯曲，而后聚焦到我们的眼睛中。在这个过程中，Macho扮演了一个引力透镜的角色，当Macho通过背景星之前时，背景星的亮度将剧增。 而亮度增大的时间的长短，依赖于这颗Macho星体和我们之间的距离。亮度增大的方式和持续时间，也就是光度曲线，我们可以通过理论来预言，而且，这些也是寻找暗物质的一个重要的信号。 相对于星系团这些大的引力透镜来说，Macho所形成的引力透镜要小的多，所以，我们称之为“微引力透镜”。其实，ESO曾经多次接受这样观测微引力透镜的任务，比如，对我们银河系中一颗恒星星光的研究。 1991年，美国Lawrence Livermore国家实验室——也就是美国的粒子天体物理研究中心和澳大利亚国立大学的天文学家们就开创了这个。这些天文学家花了整整8年的时间来监视大麦哲伦星云中超过一千万颗恒星的亮度。 1993年，他们第一次发现了引力透镜的现象，至今，在大麦云的方向上，他们已经报道了近20次的引力透镜现象，这个结果说明，在银河系的内部和周边地区，有不少的Macho物体，而且，这些物体可能包含多达50%的暗物质。 哈勃拍摄到了Macho的照片 这张图片时HST的WFPC2(宽视场行星照相机2号)在V、R和T波段经过三次曝光而排设成的(这三个波段分别视蓝、绿和红色的光)。这就是暗物质的第一张照片——一个Macho。它是一个红色的天体，图中已经用了箭头表示出了，而且非常接近右上方一颗蓝色的背景星。这个Macho实际上是一个距离我们十分近的红矮星，它将另一个星系中的一颗恒星的光汇聚，所以我们叫它为“透镜”。由于观测到的引力透镜是在6年以前，所以，这个Macho已经在天空中运行了0.134角秒，所以，在哈勃的图片中，我们可以看出，背景星和这个Macho已经分开了。 为了更深入的研究引力透镜的现象，这个小组使用哈勃太空望远镜来拍摄受引力透镜作用的恒星的照片。 我们可以看见，图片中，有一个暗红色的星体，靠近大麦云中的一颗蓝色的恒星，它们之间的距离不超过1角秒。 这张图片是哈勃在那次引力透镜现象发生之后拍摄的。当时这个现象持续了100天左右的时间。这颗红矮星的亮度、运祥方向和与大麦云中那颗恒星之间的距离，完全符合6年前计算出来的光度曲线。 这也表明，这个Macho是一个暗的矮星，距离我们约600光年，它的质量约是太阳的5%,10%。 图二向大家展示了图一中两个相互靠的很近的天体的光复合而成的光谱。这张光谱，是8.2米的VLT望远镜的一台多制式仪器弄下来的。这台仪器经过4次曝光，每次曝光的时间是1500秒，最后才得到了这张光谱。在这张图片中，我们可以看见，金属和强碱的共振谱线，特别是钠(Na)，这表明，这颗肯定是较冷的星体。而碲(Te)分子，则是地球大气的标志。 为了进一步认证这些发现，这个队伍向ESO了进一步观测的权力。ESO立刻同意了这个计划。虽然，分开这两个星体的光谱是十分不容易的，但是，这个综合的光谱还是向我们说明了一切。在红光区，可以看到十分明显的吸收线，说明这是一颗M型的矮星。除了这个光谱，在上面，我们还可以看见一颗典型的蓝色主序星的光谱。 暗物质的性质 Macho计划中的微引力透镜的光度曲线、哈勃光分辨率的照片，也是和Macho计划中的暗物质的第一次“交锋”。国际著名的《自然》杂志为这些天文学家们记下了一笔。 HST和VLT使得天文学家研究这个Macho变成可能:它的质量，它与我们之间的距离，还有它的速度。这个结果，强有力的支持了，认为银河系内和周边地区的大部分“平常”的暗物质是以Macho形式存在的这一论题。因此， 暗物质实际上并没有我们想象的那么暗。 在以后对Macho的研究中，可能会描绘下这一类暗物质，也会解释在星系形成的过程中，他们所扮演的角色。方然，在此过程中，我们也会逐步了 解暗物质的秘密，也会向宇宙质量之谜的结果迈开一大步。 第4课 暗物质的运动模式 尽管科学家还不清楚暗物质(dark matter)的性质，但是两位科学家已经可以试着给出暗物质的运动模式:和气体分子差不多。 暗黑物质在宇宙中大概占了四分之一左右的质量，但是它不发光也不与其它物质作用，所以没有办法观测。唯一证明暗物质存在的证据是光会因为暗物质的质量而产生弯曲。 Berkeley大学的Chung-Pei Ma和MIT的Ed Bertschinger在四月份美国物理学会的会议中发表了他们研究暗物质绕可见星体(例如恒星等)所产生的行为，发现这些暗物质会慢慢聚成一团来行动。他们发现这些暗物质在计算机仿真下，运动行为就像是气体分子在进行布朗运动一样。过去天文学家认为暗物质会聚集到可以包围住整个银河系，而这两位科学家的仿真可能显示这些暗物质会聚集成比太阳重上百万倍的型态绕着银河系来运行。 如果这种形式的暗物质的确存在，那们观察这些暗物质的可能方法便是观测光线因暗物质而弯曲的行为来间接推测暗物质的存在。 第5课 神秘的暗物质 140亿年前，它是一个点，体积小，质量大，温度高。然后，这个点发生爆炸，并开始膨胀，温度也随之降低——宇宙就这样形成了。解释宇宙起源的这一大爆炸理论已被科学家广泛接受。尽管如此，大爆炸理论只是搭好了 研究的框架，框架里诸多问题不是犹抱琵琶半遮面，就是依然悬而未解。 2002年，宇宙探索领域喜获丰收，科学家们在诸如暗能量、黑洞、宇宙的最终命运等课题上有了最新发现: —暗能量有了新的存在证据，并且研究显示，三分之二的宇宙可能由 神秘的暗能量组成; —黑洞可能不论大小，都具有相同的波动规律，“缺失的一环”中型黑洞也终于找到了。此外，银河系中心的确存在巨型黑洞，并且这个黑洞处于 “饥饿”状态。科学家还观测到银河系内一个“逃跑”的黑洞; —对宇宙结局，科学家提出了循环论，即宇宙可能没有开始，也没有终结，而处于不断的循环之中。 暗能量:引力的“对手” 苹果为什么会落地,人为什么跳不离地球,我们知道，这是因为存在引力的缘故。在宇宙大爆炸理论中，引力也发挥了作用，它使宇宙的膨胀速度减小。但科学家们最新观测发现，现在宇宙实际上在不断加速膨胀。这就是说，宇宙很有可能先减速、后加速膨胀，而且其中存在一种与引力作用相反的力把时空结构向外推。我们如今称之为负引力，也就是“暗能量”。 宇宙先减速后加速膨胀 宇宙真的是先减速、后加速膨胀吗,“暗能量”真的存在吗, 超新星帮助科学家解决了这个问题。超新星是爆炸中的恒星，它发出的亮度是几十亿颗恒星亮度的总和。我们可以从它的亮度来判断宇宙膨胀的速度。因此，如果是在宇宙减速膨胀中诞生的星体，其发出的光到达地球时，该星体和地球之间的距离由于膨胀减速的原因要比预计的近，因而地球上的观测 者会发现其光要比预计中更亮。然后可根据这一亮度差异来判断宇宙处于减速膨胀阶段。 1997年，科学家观测到了一颗编号为“1997ff”的超新星。对光线的相对强度进行的研究表明，它爆发于110亿年前，是迄今发现的最遥远的超新星。当时宇宙的年龄只有现在的四分之一。这颗超新星亮度是预计正常亮度的两倍，而且比距离更近、更年轻的超新星爆炸发出的光还要亮。科学家据此判断，“1997ff”爆炸时宇宙处于减速膨胀阶段。 这一发现不仅证实了宇宙膨胀先减速后加速，也证明宇宙中确实存在暗能量。暗能量和引力两者综合决定宇宙的膨胀速度。引力如胶水一样，试图把物质结合在一起;暗能量与引力相反，试图将物体分开。据推测，大约在60亿年前，引力在与暗能量的较量中落败，暗能量占据上风，宇宙进入加速膨胀状态。 暗能量占宇宙的三分之二 “暗能量”的概念最早是由爱因斯坦提出来的，但后来爱因斯坦把这个概念说成是他科学生涯中的大错误，因为它破坏了广义相对论的优美性。从那以后，暗能量成了科学家争论的话题。 今年2月的美国《发现》杂志提出了物理学11大困扰，其中一大困扰就是暗能量。根据计算，常规物质和看不见的物质——暗物质加起来并不足以构成整个宇宙，剩余成分就是暗能量。 暗能量占据宇宙成分的多大比例,科学家猜测说，可能达到三分之二。这一猜测近日得到了证实。科学家这一次使用的是类星体。类星体是宇宙中的“四不象”，体积相对较小而能量巨大。它在一般光学观测中类似恒星，但实际与恒星并不相同，因此被称为类星体。 一些质量巨大的天体会导致经过它们附近的光线等发生弯曲，使遥远天体的成像产生扭曲和变形，这一原理与光学透镜类似，因而被称为“引力透镜”效应。借助设在英国和美国的一些大型射电望远镜，科学家们共对数千个遥远类星体进行了观测，结果发现平均每700个类星体中就有一个受到“引力 透镜”的影响，其射电信号会发生弯曲，最终出现两个以上“虚像”。科学家们认为，这也许只有暗能量才能解释。他们的进一步分析表明，在假设暗能量占到宇宙成分的三分之二时，理论计算与实际观测的结果最为吻合。 这一计算过程我们暂且不去深究。暗能量如此奇怪，以至于甚至连负责这一研究的英国曼彻斯特大学的伊恩?布朗说:“宇宙由暗物质所统治，这想法太奇怪了。值得大家去仔细研究验证。” 任何给定的空间暗能量都很小 我们为什么感受不到暗能量,科学家说，在任何一个给定的空间里，暗能量的量很小，因此它的作用在日常生活中不能被感觉出。但在广漠的宇宙空间中，其效果将非常强大，足以使星系和星系簇分离开。 黑洞:谜一样的天体 没有一种天体比黑洞更能说明引力的威势了。黑洞不是黑的，也不是一个空洞。它是一个实在的天体。在很多科普文章中，它被冠以“怪物”的昵称。黑洞之所以能在宇宙中“横行霸道”，是因为它拥有强到连光都不能逃脱束缚的引力武器。 黑洞能实现时空转换 黑洞引起人们兴趣的一个重要原因是，时间和空间在黑洞中消失，这意味着通过黑洞有可能将我们现在的时间和空间连接另外一个时间和空间，时间旅行有可能实现。 黑洞也会“消化不良” 黑洞还有许多其他特性。比如，1999年，科学家发现，如果“食物”太多，黑洞有可能会“因噎废食”。这意味着，引力强大无比的黑洞，可能并非拥有所假设的吞噬一切的“胃口”。模拟结果发现，物质环在落入黑洞过程中，先被黑洞吞下的部分还会不断被吐出，最终使得只有很少一部分物质环真正进入黑洞。科学家们认为，这一结果显示黑洞并不像假设的那样能吞下“喂” 给它的一切“食物”，并且强行“塞”给黑洞大量“食物”还很可能会将它“噎”住。 黑洞都唱“同一首歌” 黑洞不论大小，不论质量，都有着相同的波动规律，如同快慢不同地演唱音调相同的“同一首歌”。这一特性是科学家于今年4月对由超巨黑洞和小质量黑洞发出的X射线辐射进行比较研究时发现的。超巨黑洞一般存在于星系的中心，质量达到太阳的数百万甚至数十亿倍。小质量黑洞质量与太阳基本处于一个数量级，主要由质量相当于太阳10倍左右的恒星发生超新星爆炸形成。 学家发现中型黑洞 到底有没有中型黑洞呢,科学家今年9月才找到这中间“缺失的一环”。这次的功能应归功于哈勃太空望远镜，它观测到了两个中型黑洞，一个位于飞马星座的M15球状星团，距地球3.2万光年，质量为太阳的4000倍。另一个黑洞位于仙女星系的G1星团中，质量相当于2万个太阳，距离地球220万光年。M15和G1这两个星团都包含着大量紧凑排列的恒星，其中一些恒星相当古老，诞生于距今100多亿年前。新观测到的两个中等质量黑洞都位于球状星团而非星系之中。 超巨黑洞位于星系中心 超巨黑洞位于星系中心，据推测每个星系都有，质量一般约为星系总质量的0.5%。目前，关于超巨黑洞的形成主要有两种理论。一种观点认为，它可能是随着星系的诞生一次性产生的。但也有推测说，超巨黑洞是以质量更小的黑洞为基础形成的，后者就好比是一些“种子”，随着时间的推移进化成了巨型黑洞。 银河系巨型黑洞质量为太阳的370万倍 今年10月，欧洲科学家宣布了银河系中心存在超巨黑洞的最佳证据。他们说，过去20年中，科学家们一直在观测银河系中心一些星体的活动情况，尤其对一颗名为S2的星体的运行轨道进行了跟踪研究，最终得出结论:S2附近确实存在一个巨型黑洞。质量是太阳7倍的S2，以每小时1.8亿公里的高速 每15.2年绕银河系中心一周。之所以如此高速，是因为它周围存在黑洞，“害怕”被黑洞“吞噬”。经过计算，这一黑洞距地球2.6万光年，质量是太阳的370万倍。 银河系中心黑洞每年“食量”不足地球质量的1% 银河系中心黑洞或许正处于“饥饿”状态。科学家原先预测，它每年吞噬约相当于十倍于地球质量的“食物”。但实际上，它每年吞噬“食物”还不足地球质量的百分之一。黑洞“食量”是根据它吞噬“食物”时发出X射线的强弱程度计算出来的。科学家还提出，如果黑洞获得了源源不断的“食物供给”，就可能从相对安静的状态中“醒来”，处于活跃状态中。 人类将能制造微型黑 大量微型黑洞不久将能在实验室里制造出来。这一任务将由大型强子对撞机完成。目前欧洲核子研究中心正在建造大型强子对撞机，估计于2005年完工。届时，它将是世界最大的粒子加速器。用它长达27公里的环形隧道加速粒子，然后使这些粒子相撞，就能创造出与宇宙大爆炸之后万亿分之一秒时的状态类似的条件，同时还可以每秒1个的速度制造大量微小的黑洞，每个体积不到一个原子核的百万分之一。之所以能制造出微型黑洞，是因为大型强子对撞机能把大量能量压缩在很小的空间里，但这些黑洞的消逝也可能像雪花消融一样容易。 对宇宙结局的猜测 尽管不希望出现这一天，但科学家还是忍不住要讨论一下宇宙的结局。它会是什么样呢,现在存在3种观点。 膨胀论:宇宙不断膨胀下去 这是英国著名理论物理学家斯蒂芬?霍金等人所持有的观点。他们认为宇宙将永远膨胀下去，不断扩大。最终我们将看到，星体会离我们越来越遥远，也越来越黯淡。 这种理论的证据之一是氘元素。氘是氢元素的同位素之一，原子核中包括一个质子和一个中子。目前宇宙中所能探测到的所有氘元素，据认为都是 在宇宙“大爆炸”几分钟后的原始核聚变过程中产生的。除了“大爆炸”之外，目前还没有发现宇宙中存在其他的氘元素源。 1999年，澳大利亚、荷兰等国科学家组成的小组，对位于距地球约1500光年的猎户星云区域进行了测量。科学家们通过对一种氘氢分子进行分析测算后发现，在猎户星云中高度活跃的恒星形成区，氘原子与氢原子的比例为1比10万。这与在宇宙其他一些区域获得的测量结果基本一致。 这些科学家们说，根据被普遍接受的宇宙理论，宇宙中正常物质总量的多少，决定着宇宙最终将无限制膨胀下去，还是会在膨胀到一定程度时转为收缩。而氘元素密度与正常物质量直接相关。上述测量结果说明的是，宇宙中正常物质总量无法遏止宇宙无限膨胀的趋势。 逆转论:宇宙会在一两百亿年后凝聚到一个点 按照这种观念，宇宙的膨胀速度不仅会减慢，而且会逆转回去，将所有的物质挤压，最后浓缩成一个“症结点”，并在剧烈的大爆炸中消亡。今年9月7日出版的英国《新科学家》就刊登了一篇这样观点的文章。 这篇文章说，大部分暗能量理论认为，宇宙的加速膨胀是在全宇宙范围的“标量场”的排斥作用下进行的，这种“标量场”在整个宇宙空间有着统一的量级。而过去的看法认为，随着宇宙的扩展，上述能量场的排斥力将逐渐减小，最终降至零。尽管这可能使宇宙的扩展速度减慢，但实际上宇宙永远不会停止膨胀。可这种看法可能是不正确的。根据超重力的一些理论，“标量场”的暗能量可能不仅仅是降至零，它还将变为负数，并可能降至负无穷大。这将令宇宙的扩展速度减缓，然后转向相反方向，使空间和时间凝聚到一点，在一次大爆炸中消亡。 这篇文章还给出了宇宙消亡的时间，它是今后100亿到200亿年，也就是在宇宙现有年龄两倍时。 循环论:宇宙是轮回的 这是科学家最近提出来的。该理论认为，宇宙将永远不会结束，而是处于从生长到消亡的循环过程中。大爆炸既不是宇宙的起点也非终点，而只是宇宙不同阶段的“过渡”。 美国普林斯顿大学的天文学教授保罗?斯坦哈特与英国剑桥大学教授尼尔?图罗克共同提出了这个观点。他们说，如今的宇宙是在上个宇宙的尘埃中诞生。 此外，还有理论认为，人类所在的宇宙之外还有另外一个无限大的平 我们所处的空间只有四个维度)中互相区分开行宇宙。这两个宇宙在多重维度( 来。 两位科学家根据现有理论计算出，在这两个宇宙之间有一个力场，可以将两个宇宙呈周期性地互相吸引、尔后又再排斥开来，如同人们鼓掌时两只手的动作一般。新理论认为，当两个宇宙互相碰撞的时候，第五维度暂时消失， 这时就会发生一次大爆炸。 新的物质世界在原有消散的物质尘埃中被重新“创造”出来。于1968年最早提出弦论的意大利科学家加布里埃莱?韦内齐亚诺对新理论表示接受，认为该理论将使人们认识到“大爆炸只是某些事件的果，并非所有事件的因。” 特别声明: 1:资料来源于互联网，版权归属原作者 2:资料内容属于网络意见，与本账号立场无关 3:如有侵权，请告知，立即删除。