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暗物质和暗能量之间的区别是什么?

2017-11-29  老夫不请...


    (本文摘自知乎


​    陈昱光
加州理工学院(Caltech) · 天体物理学):

简单来说,暗物质表现的更像普通可观测到的物质,它贡献引力;暗能量则与我们所观察到的物质大相径庭,它贡献斥力。

. 暗物质

暗物质的发现来源于1970年左右Vera Rubin(薇拉鲁宾)对银河系邻居仙女座大星系(M31)的星系旋转曲线的测量。她测量距离星系中心不同半径处物质的旋转速度,得到如下的图。横坐标是距离星系中心的距离,纵坐标是旋转速度。我们知道,如果知道了星系的质量分布,速度与距离的关系就可以用开普勒定律求出来(红线)。至于质量分布怎么求?原理是,通过测量光的分布,然后猜测一些星系的年龄和恒星形成率,从而算出来一个相对靠谱的光度-质量比。所以,求质量分布时首先已经假设了所有物质会按一定比例发光。有很多人说,如果不发光的就是暗物质,那么像地球行星这些不会发光只会反射光的是不是也是暗物质。事实上,这些物质相对于恒星的占比是很小的,在具体计算中也基本上考虑进去了。然而测量结果(白线)令人大跌眼镜,在星系外围的绕转速度比计算得到的要快很多。

   
​   
这说明了星系里有很多质量是看不见的,因为V(GM/r)1/2,想要支撑这么大的速度需要更多的质量。当然,你可以用其它原因来解释。天文学家们也不傻,当时发现了以后,大家立刻想出了很多解释,比如外围的物质因为某些原因并不能有效形成恒星,所以不发光;或者干脆说你这玩意测错了,也许你把背景的一些不属于这个星系的物质测进来了。但是,事后的结果越发不正常,最终起名为暗物质引起的。人们发现这些不会发光的物质的物理性质与能发光的正常物质相差太大。

现在测量暗物质并不需要星系旋转曲线这种愚蠢的办法了。一种比较好的办法是通过引力透镜,因为光线通过大质量天体时会发生弯曲(下图)。

   
​    所以,如果一个大质量天体后面正好有个光源,会变成这样:


​    传说中的爱因斯坦环,和前景的引力场状态密切相关,有的时候会变成象下图。天文学家仔细看图里哪里有被引力透镜弯曲了的背景星系,就可以判定前景星系的质量分布。


​    通过类似的观测,人们发现了很多像下面这个比较著名的例子,
Bullet Cluster


   蓝色代表暗物质分布,红色是通过
X射线观测到的星系团中气体的分布。可以发现,这个星系团实际上是两个星系团正在进行并合的产物。气体在并合过程中由于相互作用,互相穿过对方以后,已经完全变形了。而不发光的暗物质则表现的完全不同,两团物质依然十分分明,碰撞过后对形态并没有什么影响。由此可以发现,暗物质之间的相互作用比正常物质要弱的多。

现在一般认为,暗物质粒子之间,或暗物质与正常物质之间的相互作用非常微弱。除了引力相互作用以外,只能进行弱相互作用。同时,根据暗物质粒子的可能运动速度,人们将暗物质粒子分类为热暗物质(Hot Dark MatterHDM,粒子运动速度接近光速),冷暗物质(Cold Dark MatterCDM,粒子运动速度远小于光速)和温暗物质(Warm Dark MatterWDM,速度居中)。通过计算机模拟,天文学家现在认为,组成宇宙中暗物质的主要成分应该为冷暗物质。但是,冷暗物质模型也存在一些疑难,比如冷暗物质预言的银河系伴星系明显多于现在已知的伴星系。暗物质也吸引了很多粒子物理学家,例如华裔诺贝尔物理学奖得主丁肇中,就在国际空间站放了一个实验仪器(阿尔法磁谱仪),用来直接探测暗物质粒子。人们还知道,暗物质占宇宙中的质量要比正常物质多得多,宇宙尺度上有关引力相互作用的事件都是暗物质主导的,包括星系的形成和并合。

总之,对于暗物质的性质,人们目前认识的比较多,也有一些暗物质粒子的候选体。个人认为,直接探测到暗物质粒子,并且确认其物理组成只是时间问题。


     .暗能
​   
相比于暗物质,人们对暗能量则知之甚少。

暗能量与2011年诺贝尔物理学奖息息相关。它的发现主要起源于Adam Riess1998年用超新星发现的宇宙在加速膨胀的事实。(注:诺奖授予了Adam Riess亚当·里斯, Brian Schmidt布莱恩·施密特Saul Perlmutter萨尔·波尔马特三人,但由于历史原因,Adam RiessSaul Perlmutter谁第一个发现还存在争议)

大致来说,更遥远宇宙意味着更古老的宇宙,因为光的传播需要时间。同时,遥远宇宙远离我们运动的速度越快(有更大红移),因为宇宙在膨胀。这可以用大名鼎鼎的哈勃定律来表示:v H0D 。下图就是哈勃当年发的paper里的图。纵坐标是速度,横坐标是距离,每个点代表一个星系。


    很清楚,由于宇宙里物质的相互作用,这个膨胀的速度是会改变的。所以,我们测的远会发现哈勃定律并不再是简单的线性关系。而变成了下图的样子。


   横轴是红移(与速度直接相关),纵轴是等效亮度(与距离直接相关)。蓝色虚线和黑色实现是几种宇宙模型。细节并不重要,让人惊诧的是,从上往下第三根蓝线是人们最容易预料的,也就是宇宙里所有物质都贡献引力,于是宇宙在减速膨胀。然而通过
Ia型超新星测量出来的数据点却并不支持这样的宇宙。测量数据倒是倾向于一个加速膨胀的宇宙。也就是说,宇宙中占主导的并不是物质之间的引力,而是一种莫名其妙的向外的压力。人们将这种压力的来源称之为暗能量。

当然,天文学家不傻。很多人提出了很多可能不引入暗能量这一概念来解释这一现象。比如用Ia型超新星测量距离要依赖于它一个性质。那就是Ia型超新星爆发之后亮度会逐渐变暗。其亮度变暗的速度与其亮度峰值时的光度(也就是发出来的所有光的能量)有线性关系。因此知道了几个Ia型超新星的光度,在比较这些值与我们看到的亮度,就可以知道它们的距离。下图给出了几个Ia型超新星的光变曲线。纵轴是光度,横轴是时间。可以明显的看到Ia型超新星变暗的速度越快(斜率越大),它们的光度就越小。


    这样的线性关系实际上是基于观测的,人们并不十分知道是什么原因导致了这样的关系,也就不知道这个性质在遥远的宇宙是否会发生变化。不过后来,人们除了使用
Ia型超新星这一种办法,还用了宇宙微波背景辐射(CMB),重子声波震荡(BAO)等方法,分别独立的确认了暗能量的存在,并且给出了类似的暗能量密度数值。

暗能量具有什么性质,在空间中的分布是否均匀,还是存在什么样的结构?实际上并不十分清楚,也就很难讨论暗能量的物理起源。目前,从天文学上能做的就是引入爱因斯坦常数Λ,然后确定它的值现在有多大。爱因斯坦当年用广义相对论计算宇宙演化,算来算去发现不对,因为他算出来的宇宙尺度不能是不变的,这与当时人们认为的静态宇宙观不符,于是就在方程里放进一个常数Λ,使得宇宙既不膨胀也不收缩。但是,宇宙的尺度虽然不变了,但是人们很快发现这个平衡是不稳定的。也就是说Λ的值稍微变化一点,宇宙就会不可逆转的膨胀或者收缩下去。哈勃定律的发现,让人们知道,宇宙学常数的引入是爱因斯坦的一个错误。但是同时暗能量的发现又让人们重新拾起这个常数,用它来制造一个可以加速膨胀的宇宙。

暗能量的物理起源似乎还没有头绪,但是,讨论它的具体性质,比如Λ是否是一个合适的表征暗能量的参数,以及暗能量的空间分布等还是可能的。

目前(Planck卫星)最精确的测量(以能量密度表征),宇宙中正常物质占4.9%,暗物质占26.8%,暗能量占68.3%。可以发现宇宙中主要是暗能量(Λ)主导,其次是冷暗物质(CDM),再次才是我们平常可见、可触摸到的正常物质。这说明宇宙中绝大部分还是我们不能充分了解的东西。而ΛCDM这样的缩写,也代表了现代标准的宇宙学模型。

(编辑于 2015-06-28

 

 

王力乐普林斯顿大学 (Princeton University)


    如此并举暗物质、暗能量这两个概念,不禁想起高中时被人问过的这样一个问题:
点电荷和正电荷有什么区别?”——我当时哽咽了,没有意识到这并不是物理,而是语文和逻辑学简单地说,暗质暗量都是某种存在,但它们不是一种东西,相同之处不过就是这个字而已。

意味着它们几乎不参与电磁相互作用。电磁波(从射电、毫米/亚毫米,到红外、可见、紫外,再到X射线和γ射线)是我们探测宇宙的最重要手段,在目前可能远远比探测中微子和引力波重要得多。不参与电磁相互作用意味着它们无法直接参与发射电磁波的过程,也意味着它们不散射(反射也不过也是散射)、不吸收电磁波。因此,想直接探测暗物质,用任何形式的电磁波都是不行的。

怎么办?人们设想,暗物质很有可能会参与弱相互作用。弱相互作用与很多核物理过程有密切关系,特别是当核子的性质发生变化的时候。所以,人们就设法囤积大量的某类物质(原子的核子数量多——这样的物质更容易发生弱相互作用,但要容易剔除可能影响探测的杂质),放在地下以屏蔽宇宙射线的干扰,以期看到与暗物质有关的实验结果。

从事这个实验的研究组有许多在国内,清华和上海交大就打算在二滩水电站的施工涵洞里,摆上一堆闪烁体,用于探测暗物质的信号。

2002 年,各暗物质探测研究组都没有发声报告结果,却有个叫做DAMA 的研究组声称,通过使用某种秘制的碘化钠晶体(碘的核子数量相对较多),他们探测到了稳定且强烈的暗物质存在的信号。可是,这个研究组做了件颇有点儿伤天害理的事儿:他们以商业机密(生产碘化钠的是一家商业公司)为由,拒绝公布原始数据、晶体制造过程,以及实验的具体方案。他们与生产碘化钠晶体的公司达成协议,严禁其公布制造(高纯度、充分剔除各种干扰性同位素)碘化钠的工艺和配方不知究竟是什么机密。简言之,他们拒绝任何人重复他们的实验的企图。所以,尽管这个研究组发表了重量级论文,并言之凿凿地声称结果绝对可靠,但学界并没有普遍承认他们的结果。

除了DAMA,其他实验组都没有得出清晰而稳定的暗物质存在的相关证据。看来,直接探测颇有严重受阻的味道。那么,能不能退而求其次,做间接探测呢?

假如你在我与一个灯泡之前放上一团暗物质,那我看到的还是那个灯泡,什么异常都发现不了除非你放得太多了,使得暗物质的引力场能够明显地折弯光线。这要取决于你怎么放置这一团暗物质,使我可能会看见灯泡变亮了(微引力透镜效应——虽然常见的微引力透镜基本上都与暗物质没什么关系),也可能会看见灯泡变得奇形怪状而且不在原来的位置上了(强引力透镜)。如果暗物质背后不止是一个灯泡,而是数十个,那么经过统计之后,我也许发现灯泡的圆扁程度发生了总体性的变化(弱引力透镜)。

你可能会说,不是暗物质的东西(比如太阳)也能折弯光线。但是,如果没有暗物质,那么引力透镜现象应该比现在所能见到的少得多也弱得多。


    事实上我们看到了很多很多的这类现象,上图中的那些弧形就是。前一阵子,人们还发现了强引力透镜成像中的超新星(下图)
四个像各自对应的光的轨迹长度不同。所以人们不止一次地看到了同一颗超新星的爆发


​    除了上述的,便是最经典的证据——星系的旋转曲线。如果没有暗物质,星系中星体绕星系中心的旋转速度,会随着半径的增加而快速下降。可是,我们看到的是这样的曲线:


   陈昱光
的答案最后提到了宇宙中超过星系团尺度的结构。在研究中,人们发现,如果宇宙中仅仅有普通物质的数量,则我们应该得到的超星系团尺度结构的形态,会与我们观测到的完全不同。比如,一团在自身引力下塌缩的物质,同等尺度下,质量越大,塌缩得越快;如果没有暗物质,则那些大尺度结构形成的速度,会大大慢于观测所揭示的速度。又如,当普通物质(可以称为气体)的密度足够高时,借助电磁相互作用之下的散射,气体内部会发生动量的平均化——或者叫做粘滞——这使得普通物质能够消耗掉过剩的能量,在相对较小一些的尺度上形成结构的速度,会快于暗物质——暗物质缺乏这种粘滞(通常只能通过引力,把动量传递给普通物质,再由普通物质粘滞掉这部分动量),会像一群苍蝇围着烂苹果一直转悠那样,围绕着质量中心进进出出地转悠

在下面这张图片里,星系团尺度的结构的形成就是由暗物质引致的:


    曾经,人们认为,中微子可以是暗物质的候选者
——它几乎不参与电磁相互作用,而且数量庞大,被人们理解得很好。中微子质量非常小,只要稍有动能,它就几乎以光速运动,并称它是热暗物质。与之相比较,如果暗物质是由某些理论预言的大质量粒子构成,则它们在一定能量下的运动速度会相当低,于是被称为冷暗物质

在这两个模型竞争了许久之后,人们发现,如果暗物质是热的,则因为它们本身的速度一直很快,则它们在自身引力下可以塌缩凝聚,却难免让它们因为拥有高速而流失,这将使得塌缩形成结构的速度更慢,也不容易形成更小的结构。按照这一分析就与观测结论相悖。所以,时至今日,占据主导地位的暗物质模型,便是所谓冷暗物质了,尽管仍然没有人能准确指出冷暗物质到底是什么。

宇宙演化与暗物质有关。宇宙的膨胀速度,由弗里德曼方程给出,方程之中,有一个位置是给暗物质的,还有一个位置是给暗能量的。简单地说,暗物质的存在与普通物质和辐射一样,它的作用是将宇宙膨胀减速

顺便指出,引力场的场源是能量-动量张量。辐射是有能量的,会产生引力效应。如若不然,我们的宇宙学理论就会从头错到尾,与观测结论完全对应不上。请你不要因为有权威人士声称辐射场不产生引力就相信他那一套

随着宇宙的膨胀,辐射、普通物质与暗物质的密度越来越低,对抗暗能量的能力越来越弱;而暗能量的密度,却从不衰减。在通常的宇宙学模型中,暗能量是一种分布于全空间的能量,而且密度并不随宇宙膨胀而降低。

对暗能量直接进行解说有些困难,毕竟爱因斯坦场方程是一个计算起来一团糟的东西,而就算是弗里德曼方程也是一个非线性的方程。

宇宙加速膨胀的发现,与2011 年诺贝尔奖有密切关系。通过对SN IaIa 型超新星)的观测,人们获取了宇宙的光度距离(遥远物体的表观与实际光度之间关系的量度)与宇宙学红移(光子被宇宙膨胀拉长的结果,将其解释为多普勒效应是错误的)的关系,意识到了如果暗能量不存在,那么,我们对SN Ia 的观测结果就无法解释。在下图中,作者列举了不同ΩΛ(暗能量的相对密度)下的宇宙演化历史,并发现,观测数据点明显偏向ΩΛ0的一侧,这表明,宇宙的暗能量密度不是零。


​本图正是诺贝尔奖得主在关键论文中所用的。图中光度距离

已被转化为有效星等


     那么暗能量的本质到底是什么?曾经人们都说,这暗能量乃是量子场论中所说的
真空能。这个名字其实并没有它听上去那么神秘。所谓的真空,意思是说本该被某种东西充满,只有这样,整个空间的总能量才能变得最低、最稳定。但这个东西的密度与膨胀之类的情形可能都没有什么联系。

量子场论给出来的暗能量密度,是宇宙学观测所得到的暗能量密度的10120倍。这样一来,人们只能对暗能量的性质做更进一步的探索了。

所以,严格说现在没有人知道暗物质和暗能量究竟是什么?一定意义上,它们是唯象的模型,能给出对宇宙学诸多观测事实的漂亮解释,这确实很不容易了。

编辑于 2015-06-28

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