暗物质之谜
CI土frJ能够感知晴物质对浩糟宁甫产生的巨夫影响却捕提小到。E的{臁住物理学上·物质之间有四种
H少作用力,而暗物质只通过引力勺萁他物质发生作用;暗物质占据昔宇宙中22%的质最.25%的能量-
l—、I而对丁它何u有如此F大的能而f却无人知晓;暗物质的存往为掏建宇宙大Jt度结构g£挥了重要作用.
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质量失踪”之谜
天文学家通过天文观到发现.星星密布的银河系里
}她的天体(包括壁星尘埃和气体)的质量加起
!不到银河系的一半,而另半质量不知去向。那
银河表失踪的质量列哪晕毒了...
CI土frJ能够感知晴物质对浩糟宁甫产生的巨夫影响却捕提小到。E的{臁住物理学上·物质之间有四种
H少作用力,而暗物质只通过引力勺萁他物质发生作用;暗物质占据昔宇宙中22%的质最.25%的能量-
l—、I而对丁它何u有如此F大的能而f却无人知晓;暗物质的存往为掏建宇宙大Jt度结构g£挥了重要作用.
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质量失踪”之谜
天文学家通过天文观到发现.星星密布的银河系里
}她的天体(包括壁星尘埃和气体)的质量加起
!不到银河系的一半,而另半质量不知去向。那
银河表失踪的质量列哪晕毒了呢,
起初天文学家以为—些躲在深空的晴星没有被现
0们后来大税场单远镜拍摄到天空很暗很小
!{t小刮太刚一半j的M掣硅早天空学家嗵过计算
得出结论:M型矮星只能提供银河系失踪质量的一半
职幺还有一半哪里去了呢,一些学者认为.M型矮星
是拉光的.寿命肯JLTY年银河系“质量失踪”可能
是因为许多小恒旱燃烧发光.燃烧的“灰烬”填补了
“先踪”的另一半质鲢
无外有天.河外有}口I银河系只是宇宙中的一个
星系.迁有数以忆汁的河外星系.这些星系一般不是
单独存在的.而有成团分布的倾向——100个星系以
上组成一个星系团 1933年.瑞{天{奉物理学家弗里
兹茨戚基在研究距离地球约35亿光年的后发星系团
万方数据
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大自然探索 2010年5期
里的星系的运动时取得一项重要发现(在星系团‘家
族“中.后发星系团是我们的近邻.观测起来比较方
便)。
根据牛顿引力定律,星系团里的星系的运动是受
引力拄制的.析引力的太小与运动星系到星系中心的距
离.以及量系陌豹总质量卣接相关。菠威基对星系Ⅲ霍
的星系的运动和它们刮星系中心的距离进行测量.再运
用计算引力的公式估计出丁星系周的总质世=之后.他
叉根据星系圃里星系的数目(后发星系目j里约有I万个
星系)和总的光度对星系团的总质量进行竹计。他惊讶
地发现:前—个质量竟然比后一个质量约大蝴!
前一十质量是根据星系团边缘星系的运动计算出
来的.同牛顿引力定律有密切茭系.由它}H$H僳的质
量是整个星系}赶所有物质的质自瞰和:后—个质量足根
据星系的数目和光度实测出来的,它代表所有观测到的
星系的质量总和。两种方法得出的结果不同.意味着它
们中必定有—个是错的。如果实测质量是正确的.那么
星系团里的星系怎么能有足够的引力在轨道上快速运动
呢,如果计算质量设有问题,那么它与观测的质量怎么
会有400倍的差异呢,造就是天文学上著名的“质量失
踪问脚’。
茨威基认为.吊系Ⅲ里的质量并不是真正失踪
丁.一些我们看不见的物质为星系田里星系的快速旋
转提供了充足的质量,'至引力。“质量失踪问题”受
到天体物理学家的广泛关注.开始认识到,宇宙中除
r我们看得见的物质外,还有一些我们看不见的物
质也就是暗物质。
龇纪7咩代.年轻的美同天文学家维扣-罗宾证
明.获威毖的发觋不仅适坍于星系所,也适用t星系
科学家进步认删 }甫巾的暗物质并非少数
万方数据
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无法看见的暗物质
字甫中存在一些不发光的物质它们足黑的.水
与电礁辐射起作用.所以人们无{击看见它们。这样的
物睫并水少见.在太阳系里,除太阳姒外,行星、小
行星、流星和像月亮iⅨ样的卫星姒及彗星等都是不发
光的物质.在我们人粪J目同.不发兜nq物质电比比皆
是;这些物质不是暗物质,只是不发光,应浚叫做
水笸光的物质’
从物理学角度看,物质熊不发光主撇决于所处的
环境.原本不发光的物质在高温高压环境下也可能发
光在』£他条件相同的情|兄下,发光体的温度不同,
还能发m不蚓波长或频率的光线这举昕说的光线堪
广.Zfl9.严格地说.应该liL【做电磁波。
电磁波包括的泣艮(或频率)范丽锃宽,无线电
渡微渡、红外光、可见光、紫外光、X射线以艘高
能伽玛日t线等部是电磁渡在这Ⅱ2光线th只有可见
光足开得见的,其余绝大多数是看不见的,发射这些
看不见光线的物质电可称为‘暗物质” 不垃这些
:『'l篝≥
世问万翱——空闻、时问、鞫质——撇,盯亿
年前讹-卟“太蠕样’’中诞生的。珊}鹄宇宙是—个
无比奇异的地方。那里还没有行星、恒星或星系,有
的只是一团基本牡于.竟斥其中。此外。整个宇宙还
没有—个针孔太.而且难以置信地热。建个宇宙立刻
开始瞄胀,从这个出乎人意料柏怪舁起点,逐渐扩
展,直卦渍化成我I『Ⅱ刚}看到的}籽。
“晴物质’是由娘子、质子、电子和巾子等重子物质
组舡览的,是普通的‘89物质1.而宇宙学家和天体物
理学家所说的暗物质是一地特殊的物质:它们原则上
不仅不发光也不反射、折射或散射光线,即使在高
温高压等橄端条件下也是如此.它们刊各种渡长的光
线来说是百分之百透明日0
现存.大多数科学隶对睛物质的看法是.E们是由
』E原子非噩子、非电子和非r”子组成的叫做非重
子晴物质n训皑大多数物厦都是这种非蕈子晴物
质,它们不肯原子.不通过电肚力同正常物质作用
利学家推测非亟子暗物质是在犬爆炸后约38万年的
4]vrT(鼹涨a,tJOJ产牛的对甲期宇宙元索的形成没有贡
献所以只能通过引力揭示它的存存。
迄今为IL,科学家只Ⅺ】暗物质具有以下性质:看不
见.1鹫而性冉强怍Ⅲ没有电磁作H{至多有Jf;{子棱
之问的弱作用但具有引力作川;寿命长.其年龄至
少可“和字甫年龄 ”74E年相比拟。
不同的暗物质理论
根柳字宙A爆炸理论,在人爆炸后约38万年时,字
宙进人耩涨时娴,“I今字’I川t的所有物质——km、
月亮,恒星,壁幕、星系团等町见天体肼及切其他
物质.包括拽“J人类都是由这一时期棱聚变反应生
成的元索形成的秕生成宇宙叫虬物质的同时.也生
成r睛物质l捌此.Ⅱ*物质同正常物质一样.也是字
宙犬爆炸的产物科学家推测,根据生成暗物质的候
选物质状态不同.有三种不同的暗物质接近光速的
候选Ⅱ*物质形成了热n*物质,速度比光建低得多的候
选日R物厦形成了冷暗物质.速度在前两种暗物质之间
的候选晴物雁形成了温暖暗物质,
柏父T牛t}f是蛐fuf形成和演化的州趣卜小剐的
睛物质删论的解释是小同的。玲暗物质理论认为,宁
宙的人K度结撙是分级增长的,其过程是小天俸先
埘编、孔觯,然后合并成大火体,热暗物质坪沧则认
为.宇宙的大M度结构小是讣域增K的.析足首先形
戎像我们银河系那样的平的薄饼状的薄片’ 然
后”薄H”碎裂,成为一块块小碎片小碎片再形成
万方数据
巫小的碎片这就址说,玲暗物质删沧认为j11iI结构
是m小到人”形成的而热晴物质9i1认为宁宙结构
是⋯大到小”形成的d¨二净暗物质理论的颇计结
果1j观测敛+Ini热睛物匝理沦则严重小柑⋯此冷
嘞质理沦F1口t最社看好
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难以发现的暗物质
住科学家提山的众多一·r能组成暗物质的僦选成分
1I.最热fJ的当属弱作H{大厦节枉于(简称WIMP)
科学家性|殳,wlmp粒j-其通过引力原予桉之间的弱
接力以及比瞒桉力更弱的力作卅P;IJ批粒丁之问的籼
耳作H扦R弱,这样它们在宇1{{f诞牛的蛀初打亿分之
秒内就处J。热平衡状态.之后,由于湮火,它们开始
离阡平衡,不久j£能量僻度就变成寸市总能量桁度的
20%~30%。由于造一结论’,观测{{J符,WIMP铍当作主
要的冷晴物质雠选物质.
我们如何才能知道WIMP的ff在c!l己’科学家推测.
wlMP∞通过太阳外同¨寸可“同太|旧厦于和阿尔法粒子
发生作川外描失能量,J戊为太_;|J的“俘虏”当越来
越多的WlMP进入太阳内部井被加热时.彼此之脚就开
始相互湮灭.形成包括高能中微于存内的各种粒了。
这些粒了随后咪到地球.】nf安鞋n地球IdllJ,p微丁型
远镜就能探测到其中的中微丁。因此,wMP的踪迹可
以通过搛测太阳中微千米搽寻
科学末通过蠹透镜发现.位于银河系中心外面10
万一30万光年的暗物质晕是银河系的最重要区域.也
是最神#I部分。科学家综合多种研究认为.银河系的物
质约有鲥是暗物质,而且银河系的暗精质/1,乎-全部
集中在镶晕里。在银河幕里,约有∞亿十太阳质量的
可见物质f鳇、气体和尘埃等b由此推算.在银河
采l珂齄舍有600亿-3f100☆Lzi-太阻屣尉邮}椒质。
万方数据
i五有一种馈选的晴物质组成成分是大质量致密晕天
体(简称MACHD)被称为“天体”.意味菁MAClIO
是由正常重子物质组成的这种天体的特{lE是:在星
际空间移动.与太阳系i殳有联系:很少发射或根本不
发射辐射这种远离太阳系的没有辐射的。黑”天体
可能就是黑洞,中子星白矮足和红矮星、
所有的MACHO既不发光也水反射光线.任何照
在它们“身“}的光线都将被吸收.对于这样一些
’黑”天体,我仃1业妞何知道它们的存在呢?
观铡表明.在漩涡星系的外围存在昔大质量星系
晕。潢祸星系指具有漩涡结掏的河外星幕(锃河系就
是一个碴涡星系) 其中心是恒星密集的区域.被称
为星系饮球:在核球胤围是扁平的圆盘+被称为星系
盘;是系盘外延lⅡ很远的地万.破称为望系晕一地
科学家相信.星系晕是由黑耐组成的.黑j曰崩围有一
个南气体和尘埃组成的盘.被称为嗳积盘。由于嗳积
盘里的气体和尘埃可以产生向外喷射的疃流.所以我
们可以通过观测喷流来现谢星系局围的黑洞。如果黑
洞不是位于星系周围.也没有吸积盘.而仅仅是一个
孤立的天体.则可以通过引力透镜效应米观测它。
日I力透镜效应是爱吗斯坦广义相对论所预言的一种
现象。由于在大质量无俸附近时空会发生畸变,光线会
发生酬.等一十大质量天体位于观测者观测远方光睬
的税线上时.这个大质量天体就像是艘在观刮者和天体
之问的—块透镜.在光踩的两撕成两十像,这种现象
被称为引力透镜嫂ri、在宇宙中.星系有时毙起引力透
目啡用.使远方的类星体或其他星系产生多重像;在银
河系中.等一个黑洞帆—黜远恒星的前睡穿过.井使
它的像短时问增亮时,耶么就产生r小尺腰的引力透镜
她应。这种{j力透镜教直破叫鼬碰黼。
微透镜在银河系暗物质研究中拉挥了重要作用。
1993年.天文学家利用微透镜在银河亲中观测到了
MACHO。还有研究小组利用赦透镜找到r许§;0j个太
阳质量的MACHO.其质量足以组成20%的银河系暗物
质微透镜还否定了一个科学假设该假i殳认为,0.5
个太阳质量的MACHO可能来自于白矮星或类似厦量的
红矮星南于过两种碡星不完全是黑的.能发射些
光线,所以科学家连用“晴勃空间望远镜”对它“l进
行r研究,结果表明,在银河系里,由白矮星和红矮
足组成日}}物质的可能性福小,
引力透镜也是研究星系和星系团中暗物质的有力T
具’一十非常遥远的明亮光源(如类星体)发出的
光线在前往观测著的途中.从一个太质量天体(如星
系团)周嗣穿过日寸.其光线将弯曲成为引力黼。2883
年.加阜足科学家运用引力透镜效应测出fucA:10214
单系晕的大小羊Ⅱ形状.发现由暗物质构成的星系晕比
町她的星系体积^二5—8倍。uc.ci0214星系是天文学家
挺现的一个典型例子.有物质从其中心不停地向外
流但萁外围却看不到有星系存在。科学家猜想.
U(;Cl('f214星系旁边可能存在”暗物质星系1.这些物
质流就是在暗物质星系引力作用下湖B来的。
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艰难的暗物质探测
峰管科学家庄理论上对暗物质提出了非常有趣的暇
设.但迄今为止.投有任何直接观测证据可以证明暗物
质的存在,也自c是说.且前的暗物质理论是建立在沙丘
之上的.一阵枉风废过.自哙t地飞扬。要使暗物质理
论成为坚实的科学理沧,必卿增生£观测的检验。
如果银河系的暗物质的确是由w哪咀觥.鄢么
剽淼主一蛆~看I
万方数据
每秒钟都会有大量的w珊P通过地球.嗬装置在地球上
的暗物质探测器就可以拴验到WIMP的存在,从而骆迁
暗物质假设。
探测暗物质的方法主要分为两党.一是直接探
测.二是间接探测,用仪器直接探测暗物质的方法敲
称为直接探测.由于暗物质的信息很馓弱,用于直接
探测的探洲器必须很大,灵敏度必顽很高.为丁减少
来自宇宙射线(宇宙射线指来自宇宙空间的各种较
于.如伽马骞寸线、x射线、中散子等.宇宙射线产生的
原因很多.恒星、黑洞、超新星爆发等都能产生宇宙
射线)的背景.暗物质探测器一般都技放在很裸的地
底下.比如废弃的矿井中美国明尼苏选州东北部8呻
米探的铁矿井拔建成r苏当地下实验室.加拿大安大
略省克赖顿附近6000米谍的镩矿井被改造成了萨禧伯
室.都建在很深的矿井里.
直接探测冀验大多使用两种探利没备:一是拒接
近绝对军度(-273%)的温度F丁作的低温探测器.它
甩来检测柱于打击晶体吸收体原子所产生的热量;二
是精良的液体探铡器.主要设备是储藏池。储渍池体
{荽!很大.比如美国南选科他州地下科学与]:程实验室
的储瞳他的容积迭到加立方米.池内储存暇收拉子的i存
液.溶{疰础宴骑不同而不问.有氯蒲液,缸溶液、氯
溶液等暗物质粒子打拄这些溶液上.发出闪烁的荧
光。根据有投有荧光刚烁和荧光闪烁的强弱.即可谢
定有投有哨物质萍在和晴物质的质量;
∞051年12月.美阿科学索宣带.明尼苏达苏当地下
实验室发现r一个高于背景矾的信号.被认为是直接
万方数据
探测lB舳暗物质标记如粜得到证实,将是第二个直
接探测到的暗物质粤件
间接探测指通过探测其他物理量米探洲暗物质的
方法前面所说的引力透镜就是一种问接探测.其他
讲如洲韫 星系转动曲线” 确定 艰系速度休散
度”,以度抖{衅X射线和伽玛射线望远镜进行相应
的探测.都属于l圳接探月I范畴
光学x射线和伽,5射线望远镜也存晴物质探测中
助r—懵之力存1999-2001i嘲J闯.天史学家将l亿像
素的数码相机安装在盥威夷天文台的凯兜望远镜上.
对150多万十遥远星采敞附近】2万个星系引力透镜扭曲
的形状进行了研究2CX旃.,羹国天文学家利川钱德
拉X射线望远镜”zf甩系mlE0657-56进行现测时.无
意闻观测到星系碰撞的过程.碰撞非常猛烈.致使暗
物质与正常物质分开。这是科学家直接探测到暗物质
存在的第—个例子,
在过去几十年里,科学家综合以上两种探测方
法,收集到太母暗物质存在的间接测量证据。根据选
蝗证据.天体物理学家相信、喑物质是宇宙的~个重
要组啦部分。{q迄今为止.只有个别事件得到了直接
探测的数据,l札“是似是而非的。
最_i丘io采年来,科学家开始发展新的暗物质观测
方法.其中一种是测量WlMP的年调制技应。由于地球
环绕太日It漕地球与WIMP韵相对速度会随季节而变
化.祚每年胡份.地球可能通过较高的w喊强区.
J£12月份通过较低的WIMP漉强区.涨落比会出现差
异。科学家认为.年度靖制效应有望将w删叫言息从本
底中剥离出来。意尢利格伦·萨索国家实验室从1996年
开始.利J|j故在1400米辣的地底F的磺化钠晶体阵,4探
测器进行铡量(值得关注的是.我国也骞加了这项实
验)。仞步结果晴示.碘化钠晶体中腰子核与WlMP粒
子的碰撞效应的确}Ⅱ现了微小的季节性变化,科学寡
南此推算}EwIMP粒子的质量至少比质子大,D倍。这一
探测引起丁世界科学界的关洼。英国也在北约克郡海
岸蹲尔比的1l∞米深的地下盐钾碱矿中建立了英国暗物
质实验中心.谈中心已于∞蛑4月28日正式启动。o
万方数据
鼢 二D
70多位研究人员经过4年努力,枷7年1月绘制
出一幅三维暗物质分布图{上图),勾勒出天空区
域的暗物质轮廓。这是应用引力透镜技术取得的。
这张分布图带给我们许多有趣的信息.第一,暗物
质并不是无所不在,它们只在一定韵区域聚集成
团,而对另一些区域却不屑一顾。第二,将星系的
图片与暗物质图叠在一起,星系与暗物质自勺位置基
本吻台,即有暗物质的地方就有星系,没有暗物质
的地方则什么也没有。也就是说,暗物质似乎相当
于一个隐形的背景,星系在里亟移动。第三,分布
图还为我们提供了一发真正的时光旅行。
分布图上越远的地方离开我们也越远。我们见
到的背景星的光线不是现在发射的,而是在以前某
个时间从遥远的天体上发射出来的。这段时间需用
光年来计算(1光年约相当于10万亿千米)。因此,
孜1n现在观测到的宇宙结构应当是以前的结构。例
如,我们在暗物质分布围上看莹]ZSff.一7§亿年前的暗
物质,那幺它们—定是25亿一7纠E年前的宇宙的暗物
质样子。在这个异常遥远的年代,暗物质看上去好
像一碗面糊,离我们越近暗物质就越聚集在一起,
密集得像团团面包屑。
神奇的暗物质分布图显示,暗物质的形态是随时
间变化的,这为我"17解暗物质的现状提供了线索。
有科学家认为,上述“面包屑”自删z年以来改变不
大,所以我们在分布圈上看到的暗物质既是25亿年前
的形状,也是现在的形状。由此可吼推测,在这锅
“宇宙浓汤1中,我们技到了过去的历史。
如果把初生的宇宙设想威一只盛汤的大碗,汤
里含有暗物质和普通物质.那么在这只碗里出现7
两种对抗的现象,一种是膨胀,试图把碗撑大.另
一种是跛引.试图使物质凝聚硪团。两种力量对杭
的结果就是,宇宙中一些地方没有暗物质和可见物
质,而另一些地方两种物质异常密集。焱多暗物质
聚集在一起,星系便挂靠在暗物质上,就像挂在钩
子上的画框。这,就是暗物质分布图为我们描绘的
宇宙图像。
晤峨
万方数据
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